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Fahmio
Fahmio
Bac Tunisie
Chimie/AB-A
AB-AAcides, bases et pH

Trois acides de même concentration : taux d'avancement final, classement des acidités, identification de l'acide fort, pKa et dilution

Idée directrice

L'exercice d'acides et bases du bac compare des solutions de même concentration par leur pH : le taux d'avancement final τf=10−pH/C\tau_f=10^{-\mathrm{pH}}/C classe les acides (plus τf\tau_f est grand, plus l'acide est fort ; l'acide fort a τf=1\tau_f=1, ce qui donne CC). Pour un acide faiblement dissocié, la constante d'acidité se simplifie en Ka≈10−2pH/CK_a\approx10^{-2\mathrm{pH}}/C, d'où les deux formules à savoir retrouver : τf=10pH−pKa\tau_f=10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a} et pH=12(pKa−log⁡C)\mathrm{pH}=\tfrac12(\mathrm{p}K_a-\log C). La dilution fait monter le pH d'un acide et le fait baisser pour une base : c'est ainsi qu'on égalise deux pH.

Ce qui aide à reconnaître la démarche

« exprimer le taux d'avancement final en fonction du pH et de C » ; « classer les acides par ordre de force d'acidité croissante » ; « en déduire que … est l'acide fort » ; « montrer que pour un acide faible faiblement dissocié τf = 10^(pH − pKa) » ; « préciser la solution à diluer » ; « déterminer la valeur de Ve »

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  • τf=10−pH/C\tau_f=10^{-\mathrm{pH}}/C : classe les acides à même CC ; τf=1\tau_f=1 pour l'acide fort, donc C=10−pHC=10^{-\mathrm{pH}}.
  • Faiblement dissocié : Ka≈10−2pH/CK_a\approx10^{-2\mathrm{pH}}/C, τf=10pH−pKa\tau_f=10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a}, pH=12(pKa−log⁡C)\mathrm{pH}=\tfrac12(\mathrm{p}K_a-\log C).
  • Toujours vérifier τf≪1\tau_f\ll1 (ordre de grandeur <5 %<5\,\%) avant d'utiliser ces approximations.
  • Dilution d'un facteur 1010 : pH\mathrm{pH} d'un acide fort +1+1, d'un acide faible faiblement dissocié +0,5+0{,}5.
Les pièges à vérifier dans ta démarche

Classer les acides dans l'ordre des pH (c'est l'ordre inverse) ; prendre τf=10−pH\tau_f=10^{-\mathrm{pH}} sans diviser par CC ; écrire pH=−log⁡C\mathrm{pH}=-\log C pour un acide faible ; diluer la solution de pH le plus élevé ; oublier que C′=CV/(V+Ve)C'=CV/(V+V_e) et non CV/VeCV/V_e.

Sujet principal

Exercice 1 — acides et bases (3,5 points), dans l'esprit de la session de contrôle 2016

3 questionsCorrigé masqué

Toutes les expériences sont réalisées à 25 ∘C25\,^\circ\mathrm{C}, température à laquelle Ke=10−14K_e=10^{-14}. On néglige les ions hydroxonium provenant de l'ionisation propre de l'eau. On rappelle que la constante d'acidité d'un couple acide/base s'exprime par son pKa. On considère trois solutions aqueuses (S1)(S_1), (S2)(S_2) et (S3)(S_3) de même concentration CC et de même volume V=20 mLV=20\ \mathrm{mL}, contenant respectivement les acides A1H\mathrm{A_1H}, A2H\mathrm{A_2H} et A3H\mathrm{A_3H}. L'un des acides est fort, les deux autres sont faibles.

Solution(S1)(S_1)(S2)(S_2)(S3)(S_3)
pH3,601,703,45
    1. Exprimer le taux d'avancement final τf\tau_f de la réaction d'un acide AH\mathrm{AH} avec l'eau en fonction du pH et de CC.
    2. Classer les acides A1H\mathrm{A_1H}, A2H\mathrm{A_2H} et A3H\mathrm{A_3H} par ordre de force d'acidité croissante. En déduire que A2H\mathrm{A_2H} est l'acide fort.
    3. Justifier que C=2,0×10−2 mol⋅L−1C=2{,}0\times10^{-2}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}.
    1. On suppose que A1H\mathrm{A_1H} et A3H\mathrm{A_3H} sont faiblement dissociés dans (S1)(S_1) et (S3)(S_3). Montrer que, pour un acide faible faiblement dissocié, τf=10pH−pKa\tau_f=10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a}.
    2. Déduire les valeurs de pKa1\mathrm{p}K_{a1} et pKa3\mathrm{p}K_{a3} des couples A1H/A1−\mathrm{A_1H/A_1^-} et A3H/A3−\mathrm{A_3H/A_3^-}.
  1. On désire avoir le même pH pour (S1)(S_1) et (S3)(S_3). Pour cela on ajoute un volume VeV_e d'eau distillée au volume VV de l'une de ces solutions.
    1. Préciser, en le justifiant, la solution à diluer.
    2. L'acide considéré restant faiblement dissocié après dilution, déterminer VeV_e.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1.a Idée : τf=xf/xmax⁡\tau_f=x_f/x_{\max} ; l'avancement final se lit sur [H3O+]f=10−pH[\mathrm{H_3O^+}]_f=10^{-\mathrm{pH}}, l'avancement maximal correspond à la dissociation totale. AH+H2O→A−+H3O+\mathrm{AH}+\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{A^-}+\mathrm{H_3O^+} : xf=[H3O+]fV=10−pHVx_f=[\mathrm{H_3O^+}]_fV=10^{-\mathrm{pH}}V et xmax⁡=CVx_{\max}=CV, donc

τf=10−pHC\tau_f=\frac{10^{-\mathrm{pH}}}{C}

1.b Idée : à même CC, comparer les τf\tau_f revient à comparer les 10−pH10^{-\mathrm{pH}}, c'est-à-dire à classer les pH en sens inverse. pH1=3,60>pH3=3,45>pH2=1,70\mathrm{pH}_1=3{,}60>\mathrm{pH}_3=3{,}45>\mathrm{pH}_2=1{,}70 donc τf1<τf3<τf2\tau_{f1}<\tau_{f3}<\tau_{f2} : acidité croissante A1H<A3H<A2H\mathrm{A_1H}<\mathrm{A_3H}<\mathrm{A_2H}. L'acide fort est totalement dissocié (τf=1\tau_f=1, la plus grande valeur possible) : c'est le plus fort des trois, A2H\mathrm{A_2H}.

1.c Idée : pour l'acide fort, [H3O+]=C[\mathrm{H_3O^+}]=C. C=10−pH2=10−1,70≈2,0×10−2 mol⋅L−1C=10^{-\mathrm{pH}_2}=10^{-1{,}70}\approx\boxed{2{,}0\times10^{-2}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}}.

2.a Idée : écrire KaK_a avec le tableau d'avancement, puis utiliser « faiblement dissocié » pour remplacer C−[H3O+]C-[\mathrm{H_3O^+}] par CC. À l'équilibre [A−]=[H3O+]=10−pH[\mathrm{A^-}]=[\mathrm{H_3O^+}]=10^{-\mathrm{pH}} et [AH]=C−10−pH≈C[\mathrm{AH}]=C-10^{-\mathrm{pH}}\approx C, d'où

Ka=[A−][H3O+][AH]≈10−2pHC⟹C≈10−2pHKa⟹τf=10−pHC=Ka 10pH=10pH−pKaK_a=\frac{[\mathrm{A^-}][\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{AH}]}\approx\frac{10^{-2\mathrm{pH}}}{C}\quad\Longrightarrow\quad C\approx\frac{10^{-2\mathrm{pH}}}{K_a}\quad\Longrightarrow\quad\tau_f=\frac{10^{-\mathrm{pH}}}{C}=K_a\,10^{\mathrm{pH}}=10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a}

2.b Idée : pKa=pH−log⁡τf\mathrm{p}K_a=\mathrm{pH}-\log\tau_f, avec τf\tau_f calculé par 1.a. τf1=10−3,602,0×10−2≈1,26×10−2\tau_{f1}=\dfrac{10^{-3{,}60}}{2{,}0\times10^{-2}}\approx1{,}26\times10^{-2} et τf3=10−3,452,0×10−2≈1,77×10−2\tau_{f3}=\dfrac{10^{-3{,}45}}{2{,}0\times10^{-2}}\approx1{,}77\times10^{-2} (tous deux ≪1\ll1 : l'hypothèse « faiblement dissocié » tient). Alors

pKa1=3,60−log⁡(1,26×10−2)≈5,5pKa3=3,45−log⁡(1,77×10−2)≈5,2\mathrm{p}K_{a1}=3{,}60-\log(1{,}26\times10^{-2})\approx\boxed{5{,}5}\qquad\mathrm{p}K_{a3}=3{,}45-\log(1{,}77\times10^{-2})\approx\boxed{5{,}2}

Cohérent : pKa3<pKa1\mathrm{p}K_{a3}<\mathrm{p}K_{a1}, donc A3H\mathrm{A_3H} est plus fort que A1H\mathrm{A_1H}, comme trouvé en 1.b.

3.a Idée : diluer un acide fait monter son pH. Il faut rapprocher les pH 3,453{,}45 et 3,603{,}60 : on dilue la solution de pH le plus bas, (S3)(S_3), jusqu'à ce que son pH atteigne 3,603{,}60.

3.b Idée : pour un acide faible faiblement dissocié, pH=12(pKa−log⁡C)\mathrm{pH}=\tfrac12(\mathrm{p}K_a-\log C) ; la dilution change CC en C′=CVV+VeC'=\dfrac{CV}{V+V_e}. On veut 3,60=12(5,2−log⁡C′)3{,}60=\tfrac12(5{,}2-\log C'), soit log⁡C′=5,2−7,20=−2,0\log C'=5{,}2-7{,}20=-2{,}0 et C′=1,0×10−2 mol⋅L−1=C2C'=1{,}0\times10^{-2}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}=\dfrac{C}{2}. Donc CVV+Ve=C2  ⟺  V+Ve=2V  ⟺  Ve=V=20 mL\dfrac{CV}{V+V_e}=\dfrac C2\iff V+V_e=2V\iff\boxed{V_e=V=20\ \mathrm{mL}}. (Vérification par τf\tau_f : après dilution τf3′=103,60−5,2≈2,5×10−2=10−3,60C′\tau'_{f3}=10^{3{,}60-5{,}2}\approx2{,}5\times10^{-2}=\dfrac{10^{-3{,}60}}{C'} redonne C′=1,0×10−2C'=1{,}0\times10^{-2}.)

Changer d’énoncé, garder le raisonnement

Choisis un seul transfert après le sujet principal. Qu’est-ce qui change ? Quel résultat ou quelle méthode peux-tu réutiliser ? Les autres exercices restent disponibles pour une prochaine séance.

Exercices d'entraînement — une nuance à la fois

1 Drill AB-A.1 — acide fort : pH, dilution et taux d'avancement
Entraînement 01 / 05

Drill AB-A.1 — acide fort : pH, dilution et taux d'avancement

2 questionsCorrigé masqué

Une solution d'acide chlorhydrique a pour concentration C=1,0×10−2 mol⋅L−1C=1{,}0\times10^{-2}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}.

  1. Calculer son pH et son taux d'avancement final τf\tau_f.
  2. On la dilue dix fois. Nouveau pH ? Nouveau τf\tau_f ? Conclure sur l'effet de la dilution pour un acide fort.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. Idée : acide fort, dissociation totale. [H3O+]=C[\mathrm{H_3O^+}]=C donc pH=−log⁡C=2,0\mathrm{pH}=-\log C=\boxed{2{,}0} et τf=10−pHC=10−210−2=1\tau_f=\dfrac{10^{-\mathrm{pH}}}{C}=\dfrac{10^{-2}}{10^{-2}}=\boxed{1}.

2. Idée : C′=C/10C'=C/10. pH′=−log⁡(1,0×10−3)=3,0\mathrm{pH}'=-\log(1{,}0\times10^{-3})=\boxed{3{,}0} : le pH augmente d'une unité par dilution au dixième. τf\tau_f reste égal à 11 : un acide fort est totalement dissocié quelle que soit la dilution. (Pour un acide faible, τf\tau_f augmenterait avec la dilution et le pH ne monterait que de 0,50{,}5.)

2 Drill AB-A.2 — du pH d'un acide faible à son pKa
Entraînement 02 / 05

Drill AB-A.2 — du pH d'un acide faible à son pKa

2 questionsCorrigé masqué

Une solution d'acide éthanoïque de concentration C=1,0×10−2 mol⋅L−1C=1{,}0\times10^{-2}\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}} a un pH de 3,43{,}4.

  1. Calculer le taux d'avancement final τf\tau_f. L'acide est-il faiblement dissocié ?
  2. En déduire le pKa\mathrm{p}K_a du couple CH3COOH/CH3COO−\mathrm{CH_3COOH/CH_3COO^-} de deux façons : par τf=10pH−pKa\tau_f=10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a} puis par pH=12(pKa−log⁡C)\mathrm{pH}=\tfrac12(\mathrm{p}K_a-\log C).
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. Idée : τf=10−pH/C\tau_f=10^{-\mathrm{pH}}/C. τf=10−3,41,0×10−2=3,98×10−410−2≈4,0×10−2\tau_f=\dfrac{10^{-3{,}4}}{1{,}0\times10^{-2}}=\dfrac{3{,}98\times10^{-4}}{10^{-2}}\approx\boxed{4{,}0\times10^{-2}} : 4 %4\,\% seulement des molécules sont dissociées, l'acide est faible et faiblement dissocié.

2. Idée : deux formules, une même approximation. pKa=pH−log⁡τf=3,4−log⁡(4,0×10−2)=3,4+1,4=4,8\mathrm{p}K_a=\mathrm{pH}-\log\tau_f=3{,}4-\log(4{,}0\times10^{-2})=3{,}4+1{,}4=\boxed{4{,}8}. Ou bien pKa=2 pH+log⁡C=6,8−2,0=4,8\mathrm{p}K_a=2\,\mathrm{pH}+\log C=6{,}8-2{,}0=4{,}8. Les deux coïncident parce qu'elles reposent sur [AH]≈C[\mathrm{AH}]\approx C.

3 Drill AB-A.3 — espèce prédominante et rapport des concentrations
Entraînement 03 / 05

Drill AB-A.3 — espèce prédominante et rapport des concentrations

2 questionsCorrigé masqué

Pour le couple CH3COOH/CH3COO−\mathrm{CH_3COOH/CH_3COO^-}, pKa=4,8\mathrm{p}K_a=4{,}8. Une solution contenant ce couple a un pH de 6,06{,}0.

  1. Quelle espèce prédomine ? Justifier par la position de pH par rapport à pKa\mathrm{p}K_a.
  2. Calculer le rapport [CH3COO−][CH3COOH]\dfrac{[\mathrm{CH_3COO^-}]}{[\mathrm{CH_3COOH}]}.
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1. Idée : pH=pKa+log⁡[base][acide]\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_a+\log\dfrac{[\text{base}]}{[\text{acide}]} ; à pH>pKa\mathrm{pH}>\mathrm{p}K_a le logarithme est positif. 6,0>4,86{,}0>4{,}8 donc [CH3COO−]>[CH3COOH][\mathrm{CH_3COO^-}]>[\mathrm{CH_3COOH}] : la base conjuguée CH3COO−\mathrm{CH_3COO^-} prédomine.

2. Idée : isoler le rapport. log⁡[CH3COO−][CH3COOH]=pH−pKa=1,2\log\dfrac{[\mathrm{CH_3COO^-}]}{[\mathrm{CH_3COOH}]}=\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_a=1{,}2, donc le rapport vaut 101,2≈1610^{1{,}2}\approx\boxed{16} : il y a environ seize ions éthanoate pour une molécule d'acide.

4 Drill AB-A.4 — trois acides dilués quatre fois : fort ou faible par le tableau des pH, C0C_0, et les ions H3O+\text{H}_3\text{O}^+ conservés ou non
Entraînement 04 / 05

Drill AB-A.4 — trois acides dilués quatre fois : fort ou faible par le tableau des pH, C0C_0, et les ions H3O+\text{H}_3\text{O}^+ conservés ou non

5 questionsCorrigé masqué

Toutes les solutions sont prises à 25 ∘C25\ ^\circ\text{C}, température à laquelle Ke=10−14K_e=10^{-14} ; on néglige les ions provenant de l'ionisation propre de l'eau. Un acide faible est dit faiblement ionisé si le taux d'avancement final de sa réaction avec l'eau vérifie τf≤0,05\tau_f\le0{,}05 ; on admet alors pH=12(pKa−log⁡C)\mathrm{pH}=\frac12(\mathrm{pKa}-\log C).

Trois solutions aqueuses (S1)(S_1), (S2)(S_2) et (S3)(S_3), de même concentration C0C_0, contiennent respectivement les monoacides A1H\text{A}_1\text{H}, A2H\text{A}_2\text{H} et A3H\text{A}_3\text{H} ; l'un d'eux est fort. On prélève 25,0 mL25{,}0\ \text{mL} de chaque solution, on les verse dans une fiole jaugée de 100,0 mL100{,}0\ \text{mL} et on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge : on obtient (S1′)(S'_1), (S2′)(S'_2) et (S3′)(S'_3). Les pH mesurés sont :

Solution(S1)(S_1)(S2)(S_2)(S3)(S_3)
pH avant dilution2,901,002,70
pH après dilution3,201,603,00
  1. Préciser la verrerie utilisée pour cette dilution et le facteur de dilution nn.
  2. On dilue nn fois une solution d'un monoacide ; on note pH\mathrm{pH} et pH′\mathrm{pH}' les pH avant et après dilution. Montrer que :
    1. pour un monoacide fort, pH′=pH+log⁡n\mathrm{pH}'=\mathrm{pH}+\log n ;
    2. pour un monoacide faible qui reste faiblement ionisé, pH′=pH+12log⁡n\mathrm{pH}'=\mathrm{pH}+\frac12\log n.
  3. En exploitant le tableau, identifier l'acide fort et les deux acides faibles. En déduire la valeur de C0C_0.
  4. Ions hydronium et dilution.
    1. On note NN la quantité d'ions hydronium contenue dans le prélèvement de 25,0 mL25{,}0\ \text{mL} et N′N' celle contenue dans la solution diluée. Montrer que N′N=n⋅10 pH−pH′\dfrac{N'}{N}=n\cdot10^{\,\mathrm{pH}-\mathrm{pH}'}.
    2. Calculer ce rapport pour chacune des trois solutions et interpréter.
  5. Vérifier que A1H\text{A}_1\text{H} et A3H\text{A}_3\text{H} sont faiblement ionisés avant et après la dilution, puis comparer leurs forces.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. Idée : une dilution précise se fait avec une pipette jaugée et une fiole jaugée. On prélève 25,0 mL25{,}0\ \text{mL} avec une pipette jaugée de 25,0 mL25{,}0\ \text{mL} et on complète dans une fiole jaugée de 100,0 mL100{,}0\ \text{mL} : n=100,025,0=4n=\dfrac{100{,}0}{25{,}0}=\boxed{4}, la concentration devient C04\dfrac{C_0}{4}.

2.a Acide fort : [H3O+]=C[\text{H}_3\text{O}^+]=C, donc pH=−log⁡C\mathrm{pH}=-\log C ; après dilution, la concentration vaut Cn\dfrac Cn :

pH′=−log⁡Cn=−log⁡C+log⁡n\mathrm{pH}'=-\log\dfrac Cn=-\log C+\log n

soit pH′=pH+log⁡n\mathrm{pH}'=\mathrm{pH}+\log n.

2.b Acide faible faiblement ionisé : pH=12(pKa−log⁡C)\mathrm{pH}=\frac12(\mathrm{pKa}-\log C) ; après dilution :

pH′=12(pKa−log⁡C+log⁡n)\mathrm{pH}'=\tfrac12\left(\mathrm{pKa}-\log C+\log n\right)

soit pH′=pH+12log⁡n\mathrm{pH}'=\mathrm{pH}+\frac12\log n.

3. Ici log⁡4≈0,60\log4\approx0{,}60 et 12log⁡4≈0,30\frac12\log4\approx0{,}30. Variations mesurées : (S1)(S_1) : +0,30+0{,}30 ; (S2)(S_2) : +0,60+0{,}60 ; (S3)(S_3) : +0,30+0{,}30. Le pH de (S2)(S_2) augmente de log⁡n\log n : A2H\text{A}_2\text{H} est l'acide fort ; ceux de (S1)(S_1) et (S3)(S_3) augmentent de 12log⁡n\frac12\log n : A1H\text{A}_1\text{H} et A3H\text{A}_3\text{H} sont faibles. Pour l'acide fort, C0=[H3O+]=10−1,00=0,10 mol⋅L−1C_0=[\text{H}_3\text{O}^+]=10^{-1{,}00}=\boxed{0{,}10\ \text{mol·L}^{-1}}.

4.a Dans le prélèvement de volume V0V_0 : N=10−pH V0N=10^{-\mathrm{pH}}\,V_0. Après dilution, le volume vaut nV0nV_0 : N′=10−pH′ nV0N'=10^{-\mathrm{pH}'}\,nV_0. Le rapport vaut donc N′N=n⋅10 pH−pH′\dfrac{N'}{N}=n\cdot10^{\,\mathrm{pH}-\mathrm{pH}'}.

4.b (S2)(S_2) : 4×10−0,60≈1,04\times10^{-0{,}60}\approx\boxed{1{,}0} : la quantité d'ions hydronium est conservée (N′=NN'=N), l'acide fort était déjà totalement ionisé et la dilution n'apporte que de l'eau. (S1)(S_1) et (S3)(S_3) : 4×10−0,30≈2,0=44\times10^{-0{,}30}\approx\boxed{2{,}0}=\sqrt4 : la quantité d'ions hydronium double, la dilution favorise l'ionisation de l'acide faible.

5. τf=10−pHC\tau_f=\dfrac{10^{-\mathrm{pH}}}{C}. A1H\text{A}_1\text{H} : 10−2,900,10≈1,3×10−2\dfrac{10^{-2{,}90}}{0{,}10}\approx1{,}3\times10^{-2} puis 10−3,200,025≈2,5×10−2\dfrac{10^{-3{,}20}}{0{,}025}\approx2{,}5\times10^{-2} ; A3H\text{A}_3\text{H} : 2,0×10−22{,}0\times10^{-2} puis 4,0×10−24{,}0\times10^{-2}. Toutes ces valeurs sont inférieures à 0,050{,}05 : les deux acides restent faiblement ionisés. À concentration égale, (S3)(S_3) a le pH le plus bas, donc le plus grand τf\tau_f : A3H\text{A}_3\text{H} est plus fort que A1H\text{A}_1\text{H} (leurs pKa, 2 pH+log⁡C02\,\mathrm{pH}+\log C_0, valent 4,44{,}4 et 4,84{,}8).

5 Drill AB-A.5 — droites pH=f(log⁡n)\mathrm{pH}=f(\log n) : pente 1 ou ½, C0C_0 de l'acide fort, pKa de l'acide faible
Entraînement 05 / 05

Drill AB-A.5 — droites pH=f(log⁡n)\mathrm{pH}=f(\log n) : pente 1 ou ½, C0C_0 de l'acide fort, pKa de l'acide faible

5 questionsFigure fournieCorrigé masqué

Toutes les solutions sont prises à 25 ∘C25\ ^\circ\text{C} ; on néglige les ions provenant de l'ionisation propre de l'eau. On rappelle que, pour un monoacide fort de concentration CC, pH=−log⁡C\mathrm{pH}=-\log C, et que, pour un monoacide faible faiblement ionisé (τf≤0,05\tau_f\le0{,}05), pH=12(pKa−log⁡C)\mathrm{pH}=\frac12(\mathrm{pKa}-\log C).

Deux solutions (S1)(S_1) et (S2)(S_2), de même concentration C0C_0, contiennent respectivement les monoacides A1H\text{A}_1\text{H} et A2H\text{A}_2\text{H} ; l'un est fort, l'autre faible. À partir de chacune, on prépare des solutions diluées nn fois (1≤n≤101\le n\le10) dont on mesure le pH. La figure représente pH=f(log⁡n)\mathrm{pH}=f(\log n) : la droite (D1)(D_1) est obtenue avec les solutions issues de (S1)(S_1), la droite (D2)(D_2) avec celles issues de (S2)(S_2).

  1. On dilue nn fois une solution de pH initial pH0\mathrm{pH}_0. Montrer que le pH de la solution diluée s'écrit :
    1. pH=pH0+log⁡n\mathrm{pH}=\mathrm{pH}_0+\log n pour un monoacide fort ;
    2. pH=pH0+12log⁡n\mathrm{pH}=\mathrm{pH}_0+\frac12\log n pour un monoacide faible qui reste faiblement ionisé.
  2. Déterminer les pentes des droites (D1)(D_1) et (D2)(D_2). En déduire que A2H\text{A}_2\text{H} est fort et que A1H\text{A}_1\text{H} est faible.
  3. Déterminer la valeur de C0C_0.
  4. Déterminer le pKa du couple A1H/A1−\text{A}_1\text{H}/\text{A}_1^-, puis vérifier que A1H\text{A}_1\text{H} reste faiblement ionisé pour toutes les dilutions de la figure.
  5. On veut obtenir, à partir de 10,0 mL10{,}0\ \text{mL} de (S2)(S_2), une solution de même pH que (S1)(S_1) non diluée. Déterminer le volume d'eau distillée à ajouter.
Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1.a Fort : la solution diluée a pour concentration C0n\dfrac{C_0}{n}, donc

pH=−log⁡C0n=−log⁡C0+log⁡n\mathrm{pH}=-\log\dfrac{C_0}{n}=-\log C_0+\log n

soit pH=pH0+log⁡n\mathrm{pH}=\mathrm{pH}_0+\log n.

1.b Faible faiblement ionisé :

pH=12(pKa−log⁡C0n)\mathrm{pH}=\tfrac12\left(\mathrm{pKa}-\log\dfrac{C_0}{n}\right)
pH=12(pKa−log⁡C0)+12log⁡n\mathrm{pH}=\tfrac12(\mathrm{pKa}-\log C_0)+\tfrac12\log n

soit pH=pH0+12log⁡n\mathrm{pH}=\mathrm{pH}_0+\frac12\log n.

2. Idée : en fonction de log⁡n\log n, les deux lois sont des droites de pentes 11 et 12\frac12. (D1)(D_1) passe de (0 ; 3,0)(0\ ;\ 3{,}0) à (1 ; 3,5)(1\ ;\ 3{,}5) : pente 0,5\boxed{0{,}5} ; (D2)(D_2) passe de (0 ; 1,0)(0\ ;\ 1{,}0) à (1 ; 2,0)(1\ ;\ 2{,}0) : pente 1\boxed{1}. La pente 11 caractérise l'acide fort : A2H\text{A}_2\text{H} est fort ; la pente 12\frac12, l'acide faible : A1H\text{A}_1\text{H} est faible.

3. L'ordonnée à l'origine de (D2)(D_2) (n=1n=1) est le pH de (S2)(S_2) : 1,0=−log⁡C01{,}0=-\log C_0, donc C0=0,10 mol⋅L−1C_0=\boxed{0{,}10\ \text{mol·L}^{-1}}.

4. L'ordonnée à l'origine de (D1)(D_1) vaut 3,0=12(pKa−log⁡C0)3{,}0=\frac12(\mathrm{pKa}-\log C_0), d'où pKa=2×3,0+log⁡0,10=5,0\mathrm{pKa}=2\times3{,}0+\log0{,}10=\boxed{5{,}0}. Idée : τf\tau_f augmente avec la dilution, il suffit de vérifier la solution la plus diluée. Pour n=10n=10 : C=1,0×10−2 mol⋅L−1C=1{,}0\times10^{-2}\ \text{mol·L}^{-1} et pH=3,5\mathrm{pH}=3{,}5, τf=10−3,51,0×10−2≈3,2×10−2≤0,05\tau_f=\dfrac{10^{-3{,}5}}{1{,}0\times10^{-2}}\approx3{,}2\times10^{-2}\le0{,}05 : l'hypothèse tient sur tout le domaine.

5. On veut pH=3,0\mathrm{pH}=3{,}0 pour l'acide fort : 1,0+log⁡n=3,01{,}0+\log n=3{,}0, soit n=100n=100 (prolongement de (D2)(D_2), valable pour un acide fort tant que les ions de l'eau restent négligeables : C=10−3 mol⋅L−1C=10^{-3}\ \text{mol·L}^{-1}). Les 10,0 mL10{,}0\ \text{mL} doivent être amenés à 1,000 L1{,}000\ \text{L} : on ajoute 990 mL\boxed{990\ \text{mL}} d'eau distillée.

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