Lycée : acide et base

En classe de première, c’est le retour des acides et des bases déjà vus en classe de troisième. La grosse différence, c’est le calcul du pH en utilisant la fonction logarithme décimal. Quelques définitions supplémentaires concernant la notion d’acide.

Acide et base ce que je dois savoir de troisième

L’échelle de pH permet de mesurer l’acidité ou la basicité d’une solution. Elle démarre à 0 et se termine à 14. À 7, c’est la neutralité, c’est théoriquement le pH de l’eau pure. Plus le pH est faible, plus la solution est acide, plus le pH est haut plus la solution est basique. L’échelle ci-dessus synthétise l’échelle et rajoute quelques produits acides et basiques connus. On rajoutera toutefois :

  • Les produits acides sont utilisés pour le nettoyage des roches, des pierres et donc du calcaire. On comprend alors qu’on va conseiller pour nettoyer la salle de bain, des produits à base de vinaigre ou de jus de citron. On voit pas mal de vidéos de nettoyage des toilettes au Coca.
  • Les produits basiques, c’est typiquement la soude qu’on trouve dans les déboucheurs. Alors que les acides s’attaquent aux matières minérales, les bases s’attaquent aux matières organiques. On utilise des produits basiques dans les déboucheurs car dans le fond des éviers, de la nourriture, des cheveux, des graisses, c’est organique.
  • Le pH de 7 pour l’eau pure correspond à une eau dans laquelle il n’y a rien. Comprenez que l’eau en bouteille n’est pas pure, au contraire on insiste sur les sels minéraux et les oligo-éléments qui font les propriétés d’une eau. Les différents éléments qu’on trouve dans les eaux vont avoir une influence sur le pH

Pour mesurer le pH au niveau du collège, c’est principalement le papier pH qui est utilisé. Dans les exercices, on va souvent demander à partir de la couleur d’identifier si le produit est acide ou basique.

Du papier pH

Nouvelle définition de l’acidité

On va désormais définir un acide comme une substance capable de libérer des ions H+ ou des protons. Pour comprendre cette définition, celle du proton, il faut revenir à la classification périodique.

L’atome d’hydrogène est composé d’un proton et d’un électron. Si on évoque H+, cela veut dire que l’électron est parti, il ne reste qu’un proton. On va partir de l’acide le plus simple, l’acide chlorhydrique HCl. C’est un acide que vous pouvez trouver dans n’importe quel supermarché. Il apparaît que HCl peut se casser en H+ et Cl c’est bien la définition d’un acide. HNO3 est un acide, car il se décompose en H+ et NO3. Par exemple, CH4 ne peut pas lâcher des ions H+, ce n’est donc pas un acide.

On va définir de la même manière une base, comme un composé susceptible de lâcher des ions OH. La base la plus connue, c’est la soude NaOH qu’on peut bien décomposer en NA+ et OH.

Il est à noter que H+ n’a pas de sens que théorique. On parle d’une solution acide, cela veut dire qu’il y a de l’eau. Les ions H+ avec la molécule H2O donne des ions H3O+, les ions hydronium.

On se rend compte alors que lorsqu’on mélange de l’acide et de la base, on a l’équation chimique suivante : H3O+ + OH → 2H2O

C’est fondamental, cela veut dire que si on ajoute de l’acide et de la base, on a la neutralité. L’acide et la base annulent leurs effets.

Produit ionique de l’eau

Nous venons de voir d’après ce qui précède que :

  • Une solution acide se caractérise par une présence d’ions H3O+.
  • Une solution basique se caractérise par une présence d’ions OH.
  • L’acide et la base se neutralisent pour donner de l’eau selon l’équation : H3O+ + OH → 2H2O

Si on regarde cette dernière partie, on comprendra alors que dans toute solution dans laquelle on a de l’eau H2O on aura forcément des ions H3O+ et des ions OH :

  • Dans une solution acide, on aura forcément plus d’ions H3O+ que d’ions OH
  • Dans une solution basique, on aura forcément plus d’ions OH que d’ions H3O+
  • Et dans une solution neutre, il y a autant d’ions OH que d’ions H3O+

On comprend qu’on a donc un équilibre entre les concentrations des ions H3O+ et OH qui se traduit par l’équation suivante, appelée produit ionique de l’eau.

[H3O+][OH]=10-14 qui se traduit en français par la concentration d’ions H3O+ fois la concentration d’ions OH est égale à 10-14. Ce qui veut dire que si on connaît [H3O+] on peut trouver [OH] et réciproquement si on connaît [OH] on peut trouver [H3O+].

Exemple : soit une solution pour laquelle [OH]=0.0001 mol/L. Alors je peux écrire :

\[ [H3O^+][OH^-]=10^{-14} \] \[ [H3O^+] \times 0.0001=10^{-14} \] soit \[ [H3O^+] = {10^{-14} \over 0.0001} \] et \[ [H3O^+] =10^{-10} \]

J’en déduis que la concentration en ions [H3O+] est de 10-10 mol/L.

Exemple : soit une solution pour laquelle [H3O+]=0.05 mol/L. Alors je peux écrire :

\[ [H3O^+][OH^-]=10^{-14} \] \[ 0.05 \times [OH^-]=10^{-14} \] soit \[ [OH^-] = {10^{-14} \over 0.05} \] et \[ [OH^-] =2^{-13} \]

Je rappelle que pour obtenir ce dernier calcul, je passe par la calculatrice.

Une nouvelle définition du pH en lien avec les ions de l’acide

On a donc compris que l’acidité est en lien avec la quantité d’ion H3O+, donc la concentration [H3O+]. On définit alors le pH, potentiel hydrogène par la relation

pH=-log[H3O+]

Il suffit de remplacer les valeurs dans la calculatrice. Si par exemple on me donne une solution avec une concentration en H3O+, [H3O+]=0.005 mol/L alors :

Si on a compris ce qui précède. Imaginons que cette fois-ci on nous donne une concentration en OH telle que [OH]=0.00006 mol/L. Nous avons compris qu’il était nécessaire de calculer la concentration de H3O+ pour obtenir le pH. Or cette concentration peut être obtenue par le calcul du produit ionique de l’eau. Soit en reprenant le précédent paragraphe :

Dans la première étape, en utilisant la formule du produit ionique de l’eau, je calcule la concentration en ions H3O+ puis je calcule le pH avec la formule.

De la même manière, il est possible d’avoir la réciproque, à savoir trouver la concentration en ions H3O+ à partir du pH en utilisant la formule [H3O+]=10-pH. Si on a un pH de 7.8 alors [H3O+]=10-7.8

Pas de grosse difficulté dans cette leçon qui reste très logique, néanmoins comme souvent, certaines notions sont à apprendre par cœur.