l'eau
Des corps, quand ils sont fondus ou dissous, laissent passer le courant : ce sont les électrolytes. Ceci est dû au fait que lors de la fusion ou de la dissolution des ions sont libérés ce qui permet le passage du courant.
L'eau dissout un grand nombre de substances : c'est un bon solvant. La substance dissoute s'appelle le soluté et l'ensemble soluté-solvant, la solution.
Lors de la dissolution d'un électrolyte, il y a :
- en premier, dispersion des ions par dislocation du réseau cristallin car la molécule d'eau exerce une action électrostatique sur les ions de la surface du solide.
- puis solvatation des ions, c'est-à-dire attraction entre les molécules d'eau et les ions libérés, ces derniers s'entourant d'un certain nombre de molécules d'eau.
La dispersion des ions dégage de la chaleur (exothermique), la solvatation absorbe de la chaleur (endothermique), la dissolution peut donc être exothermique, endothermique ou athermique.
On a donc une certaine quantité d'une substance A dissoute dans un certain volume d'un solvant B ce qui donne une solution de volume V.
La concentration du soluté A est le nombre de moles dissoutes dans un litre de solution.
Si le volume de la solution est V et si la masse du soluté A est mA , la concentration massique de A est :
mA en g, V en l, CA en g.l-1.
Si le volume de la solution est V et si le nombre de moles de A dissoutes dans ce volume est nA , la concentration molaire de A est :
nA en mol, V en l, [A] en mol.l-1.
Le pH d'une solution aqueuse est un nombre qui exprime son acidité (ou sa basicité). Il est compris entre 0 et 14.
Si le pH est compris entre 0 et 7, on a une solution acide.
Si le pH vaut 7, on a une solution neutre.
Si le pH est compris entre 7 et 14, on a une solution basique ou alcaline.
Le pH est en relation directe avec la concentration molaire des ions H+ . Ces ions sont solvatés, c'est pour cela qu'on les écrit plutôt H3O+ (ion hydronium ou oxonium). On a la relation :
pH = - lg[H3O+]
Pour pH =
2 on a [H3O+] = 10-2 mol.l-1
Pour pH = 7 on a [H3O+] = 10-7 mol.l-1
On a donc :
[H3O+] = 10-pH
Dans l'eau pure un certain nombre de molécules d'eau sont dissociées : c'est le phénomène d'autoprotolyse ou dissociation de l'eau. Cette réaction pouvant se faire dans un sens ou dans l'autre, on a ce que l'on appelle un équilibre symbolisé par une double flèche. L'équation bilan s'écrit :
2H2O
H3O+
+ OH-
OH- est l'ion hydroxyde. On voit qu'il y a autant de H3O+ que de OH-, ce qui traduit l'électroneutralité de la solution. Ainsi à 25 °C : [H3O+] = [OH-]= 10-7 mol.l-1. Le pH de l'eau pure est donc 7. Le produit [H3O+].[OH-] vaut 10-14 à 25 °C et est noté Ke : on l'appelle produit ionique de l'eau. On note :
pKe = - lg Ke
Le pKe, pour 25 °C, vaut donc 14.
Pour des mesures précises, on se sert d'un appareil appelé pH-mètre, sinon on se sert de substances qui changent de couleur suivant le pH : on les appelle les indicateurs colorés.
Jaune d'alizarine:
rouge pour pH < 1,9
jaune pour pH > 3,3
Hélianthine:
rouge
" 3,1
jaune
" 4,4
bleu de bromothymol : jaune
"
6,0
bleu
"
7,6
Phénolphtaléine :
incolore " 8,2
rose
" 10,0
Les acides forts sont des substances qui se dissocient entièrement lors de leur dissolution en cédant des protons. Si on les représente par AH, on a :
AH + H2O ® A- + H3O+
C'est le cas de l'acide chlorhydrique (HCl), nitrique (HNO3), sulfurique (H2SO4).
Si on connaît le nombre n de moles dissoutes de AH dans un volume V, on connaît la concentration de A car toutes les molécules AH sont dissociées :
pH = -log CAH
Les bases fortes sont des substances qui se dissocient complètement dans l'eau en donnant des ions OH- . On a :
BOH ® B+ + OH-
C'est le cas de la soude (NaOH), de la potasse (KOH) et de la chaux (Ca(OH)2). Ce sont des hydroxydes. Si la concentration molaire de la base est C , on aura :
pH = 14 + lg CBOH
Un acide faible est un acide qui ne se dissocie pas entièrement lors de sa dissolution. On a :
AH
+ H2O
A-
+ H3O+
2
H2O
H3O+
+ OH-
Ici [A-] n'est pas égal à C, car la dissociation n'est pas totale. Il reste des AH, leur concentration valant [AH].
On montre que l'on a :
pH ~ - log[A-]
L'acide acétique ou éthanoïque (CH3 - COOH) est un acide faible.
Une base faible ne se dissocie pas entièrement. On a :
B
+ H2O
BH+
+ OH-
2
H2O
H3O+
+ OH-
On montre que l'on a :
pH ~ 14 + log[BH+]
Si on verse dans une solution d'acide fort une solution d'acide faible, on a la réaction :
A- + H3O+ + B+ + OH- ® A- + B+ + 2H2O
A- et B+ étant présents avant et après la réaction , la réaction qui se passe vraiment est :
H3O+ + OH- ® 2H2O
On obtient donc une solution du sel AB : on dit que l'on a neutralisé l'acide par la base.
On verse dans un bécher 20 ml d'acide chlorhydrique de concentration CA = 0,10 mol.l-1
On verse alors de la soude de concentration CB = 0,10 mol.l-1 petit à petit en mesurant le pH de la solution.
On obtient la courbe ci-dessous.
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Au début, le pH augmente faiblement, puis entre 19,9 ml et 20,1 ml, il augmente brusquement puis il se remet à croître faiblement.
Le point d'inflexion E est appelé le point d'équivalence. Il se situe, ici, à pH = 7,4. Ce point est atteint quand le nombre de H3O+ apportés par l'acide est égal au nombre des OH- apportés par la base. On a la relation :
CAVA = CBVBE
VBE est le volume de la base qu'il a fallut verser pour neutraliser l'acide du bécher.
Si on avait versé la base dans le bécher et l'acide petit à petit, on aurait obtenu une courbe symétrique à la précédente par rapport à une horizontale tracée à pH 7 et on aurait eu une relation similaire.
Dans les deux cas, pour voir le virage, il faut utiliser un indicateur qui change de couleur aux alentours de pH 7 : c'est le bleu de bromothymol.
I : La formule du chlorure de calcium est CaCl2 ? Quels ions libère-t-il lors de sa dissolution ? On en dissout 10 g dans de l'eau, en complétant à 500 ml.
a) Calculer la concentration en chlorure de calcium de la solution.
On donne en g.mol-1 : Ca = 40 ; Cl = 35,5.
b) Calculer la concentration des ions libérés.
II
: Une solution, de volume 200 cm3,
contient les ions Ca2+ et NO3-.
On a 2.10-3
mol d'ions NO3-.
a) Trouvez le nombre d'ions Ca2+.
b) En déduire les concentrations molaires des ions de cette solution.
c) Quel corps solide S a-t-on dissout dans l'eau pour obtenir cette solution ? Quelle est la concentration molaire Cs de la solution ?
III : On dissout 4,35 g de sulfate de potassium dans 0,25 l d'eau.
a) Calculer la concentration de chacun des ions en solution.
b) Quel volume d'eau faut-il ajouter à la solution précédente
pour obtenir une solution dont la concentration en ions sulfate [
]
est 0,02 mol.l-1.
On donne : K = 39 ; 0 = 16 ; S = 32 en g.mol-1
IV
: Quelle masse d'hydroxyde de sodium faut-il
dissoudre dans l'eau pour obtenir 500 cm3
d'une solution de concentration 0,2 mol.l-1 ? (Na
= 23 ; O = 16 ; H = 1 en g.mol-1)
V
: Solution I,
[H3O+]
= 4,0.10-6
mol.l-1
solution II, pH = 8,0
Trouver le pH de I et III, et les[H3O+] et [OH-] de II.
VI : A 25 °C, une solution d'hydroxyde de sodium NaOH a un pH qui vaut 11,8. En déduire les concentrations en ions H3O+ et OH-.
VIII : Quel est le pH d'une solution d'acide sulfurique de concentration 5,4.10-4 mol.l-1 ?
IX : BTS TP 94
L'analyse chimique de l'eau d'un puits a donné les résultats suivants :
pH 8,0
Oxygène dissous (O2)
8,2 mg.l-1
Chlorures (Cl-)
20 mg.l-1
Sulfates (SO42-) 70 mg.l-1
Phosphates (PO43-) 0,1 mg.l-1
Sodium (Na+) 71 mg.l-1
Hydrogénocarbonates (HCO3-) 121 mg.l-1
On donne :
Le produit ionique de l'eau sera pris égal à 10-14
les masses molaires atomiques (g.mol-1) :
H
O
Cl
S
P
C
Na
1 16 35,5 32 31 12 23
1) Etude du pH :
1.1 Cette eau est-elle acide ou basique ?
1.2 Écrire l'équation d'autoionisation de l'eau.
1.3 Calculer les concentrations exprimées en mol.l-1 de [H3O+] et [OH-].
2) Les ions :
Calculer en mol.l-1 les concentrations suivantes : [Cl-], [SO42-], [PO43-].
3) On désire effectuer le dosage des ions Cl- avec une solution de nitrate d'argent. On obtient un précipité de chlorure d'argent :
Cl- + Ag+ AgCl
On utilise une solution de nitrate d'argent (Ag+ + NO3-) telle que [Ag+] = 1,0.10-3 mol.l-1.
Calculer le volume de solution nécessaire pour précipiter tous les ions Cl- contenus dans 50 cm3 de cette eau.
X : Dans un bécher, on verse vb = 20,0 ml d'hydroxyde de sodium de concentration Cb inconnue. On y verse progressivement de l'acide chlorhydrique de concentration Ca = 1,0.10-2 mol.l-1. La courbe obtenue est similaire à celle du cours (vaE = 9 ml).
a) Ecrire la réaction.
b) Déterminer le point d'équivalence. En déduire Cb.
c) Parmi les trois indicateurs colorés ci-dessous, lequel doit-on utiliser ? (phtaléine : zone de virage : 8,2-10,0 ; bleu de bromothymol : 6,0-7,6 ; hélianthine : 3,1-4,4).
XI : BTS TP 97
Toutes les questions peuvent être traitées indépendamment.
1) On prépare une solution S2 d'acide chlorhydrique de concentration C2 = 2,0.10-3 mol.L-1 à partir d'une solution initiale S1 de concentration C1 = 1,25.10-2 mol.L-1.
1.1) A partir de quel gaz, une solution d'acide chlorhydrique est-elle obtenue ? Donner la formule de ce gaz.
1.2) Donner l'équation de la réaction de ce gaz avec l'eau.
1.3) Calculer le volume d'eau qu'il faudra ajouter à 10 mL de solution initiale S1 pour obtenir la solution S2.
1.4) Calculer le pH de la solution initiale et de la solution finale.
2) Pour vérifier la concentration C2 de la solution S2 d'acide chlorhydrique obtenue dans la question 1, on effectue un dosage avec une solution d'hydroxyde de sodium de concentration C = 1,75.10-3 mol.L-1. Pour obtenir l'équivalence, il a fallu ajouter 22 mL de solution basique à 20 mL d'acide.
2.1) Donner la relation qui existe entre les concentrations et les volumes à l'équivalence. Quel est le pH à l'équivalence ?
2.2) Calculer la concentration de cette solution acide. Comparer avec la valeur donnée dans la question 1.
XII : BAT 93 (6 points)
La méthylamine, de formule CH3 - NH2, est une base faible. On dissout une masse m de ce composé dans un volume V d'eau. La solution obtenue a un pH de 11,9.
On donne : m = 3,72 g ; V = 1 L.
1) Ecrire l'équation-bilan de la réaction lors de la dissolution.
2) Citer les diverses espèces chimiques présentes dans la solution.
3) Calculer pour chaque espèce la concentration molaire volumique.
4) Pour vérifier la pureté du produit, on effectue le dosage suivant :
On prélève un volume 20 ml de la solution précédente, à laquelle on ajoute une solution d'acide chlorhydrique de concentration 0,1 mol.l-1.
L'équivalence acido-basique est obtenue lorsque l'on a versé 24 ml de la solution acide.
Calculer la concentration de la solution de méthylamine. Le produit est-il pur ?
On donne, en g.mol-1 : C = 12 H = 1
