Définition Selon Brønsted, un acide est une espèce chimique capable de céder un ion hydrogène H⁺ (un proton), une base une espèce capable d'en capter un. À tout acide AH est associée sa base conjuguée A⁻ par l'échange AH ⇌ A⁻ + H⁺ : le couple s'écrit AH/A⁻. Un même échange de proton relie par exemple CH₃COOH/CH₃COO⁻ ou NH₄⁺/NH₃.
Le proton H⁺ n'existe pas seul en solution aqueuse : il est immédiatement capté par une molécule d'eau pour former l'ion oxonium H₃O⁺. Une réaction acide-base est donc toujours un transfert de proton entre l'acide d'un couple et la base d'un autre couple, jamais un échange direct de H⁺ libre.
VocabulaireAmpholyte (ou espèce amphotère) : espèce qui peut jouer le rôle d'acide ou de base selon son partenaire, comme l'eau ou l'ion hydrogénocarbonate HCO₃⁻ ; autoprotolyse : réaction d'une espèce amphotère avec elle-même.
II. Autoprotolyse de l'eau et échelle de pH
Propriété L'eau est amphotère : deux molécules d'eau échangent un proton selon 2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + HO⁻, réaction appelée autoprotolyse de l'eau. À 25 °C, le produit ionique de l'eau vaut Ke = [H₃O⁺][HO⁻] = 1,0 × 10⁻¹⁴, ce qui donne la relation pKe = pH + pOH = 14,0.
Exemple Une solution d'acide chlorhydrique de concentration c = 1,0 × 10⁻² mol·L⁻¹, acide fort totalement dissocié, a pour concentration en ions oxonium [H₃O⁺] = c, donc pH = −log(1,0 × 10⁻²) = 2,0. Une solution d'hydroxyde de sodium de concentration c′ = 5,0 × 10⁻³ mol·L⁻¹, base forte totalement dissociée, a [HO⁻] = c′, donc pOH = −log(5,0 × 10⁻³) = 2,30, soit pH = 14,0 − 2,30 = 11,70.
Attention Une solution neutre a pH = 7,0 uniquement à 25 °C, température à laquelle Ke = 1,0 × 10⁻¹⁴. À une autre température, Ke change de valeur et le pH neutre (celui où [H₃O⁺] = [HO⁻]) n'est plus égal à 7,0.
III. Réaction entre deux couples acide-base et constante d'équilibre
Propriété Lorsque l'acide A₁H d'un couple réagit avec la base A₂⁻ d'un autre couple, la réaction A₁H + A₂⁻ ⇌ A₁⁻ + A₂H atteint un état d'équilibre caractérisé par une constante d'équilibre K, sans dimension, associée à l'équation ainsi écrite. Sa valeur ne dépend que de la température.
L'échelle de pH à 25 °C, avec deux exemples de calcul pour un acide fort et une base forte.
Méthode : prévoir le sens d'une réaction acide-base
Identifie les deux couples acide-base en présence et écris chaque demi-équation AH ⇌ A⁻ + H⁺.
Combine-les pour obtenir l'équation globale : l'acide du couple le plus fort réagit avec la base de l'autre couple.
Écris l'expression du quotient de réaction à l'état final et compare-la à la constante K si elle est donnée.
Conclus sur l'espèce très majoritaire à l'équilibre : plus K est grand devant 1, plus la réaction est totale dans le sens direct.
Remarque Le couple de l'eau H₃O⁺/H₂O (acide) et H₂O/HO⁻ (base) borne toutes les réactions acide-base en solution aqueuse : aucun acide plus fort que H₃O⁺ ni aucune base plus forte que HO⁻ ne peut durablement subsister dans l'eau, phénomène appelé effet de nivellement.
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Chapitre 2 — Analyse d'un système chimique par des méthodes physiques
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Chapitre 4 — Évolution temporelle d'une transformation chimique
Chapitre 5 — Modélisation microscopique d'une transformation chimique
Chapitre 6 — Radioactivité et décroissance radioactive
Chapitre 7 — Sens spontané d'une réaction chimique