ChimieFiche 10 · Acide, base et réaction acide-base
Chimie · Synthèse · Fiche 10

Acide, base et réaction acide-base

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À maîtriser

  • les trois théories (Arrhenius, Brønsted-Lowry, Lewis) et les couples conjugués ;
  • l'autoprotolyse de l'eau, KeK_e, le pH, les constantes KaK_a, pKapK_a, KbK_b, pKbpK_b ;
  • calculer le pH (acide fort, base forte, acide faible, base faible) et lire un diagramme de prédominance ;
  • prévoir le sens d'une réaction acide-base (ΔpKa\Delta pK_a, Keˊqui=10ΔpKaK_{\text{équi}}=10^{\Delta pK_a}) ;
  • l'équation de Henderson-Hasselbalch, les tampons, les titrages.

1Définitions : les trois théories acide-base

Définition1.1Arrhenius

Un acide libère des ions HX3OX+\ce{H3O+} dans l'eau ; une base y libère des ions OHX\ce{OH-}. Théorie restreinte au milieu aqueux (n'explique pas la basicité de NHX3\ce{NH3}).

Définition1.2Brønsted-Lowry

Un acide cède un proton HX+\ce{H+} ; une base capte un proton HX+\ce{H+}.

Attentionle proton nu n'existe pas

HX+\ce{H+} n'existe jamais seul en solution : il est toujours solvaté en HX3OX+\ce{H3O+}. On écrit HX+\ce{H+} ou HX3OX+\ce{H3O+} indifféremment.

Définition1.3couple acide/base conjugués

HAAX+HX+\ce{HA <=> A- + H+} (ou HA+HX2OAX+HX3OX+\ce{HA + H2O <=> A- + H3O+}) : HA\ce{HA} et AX\ce{A-} forment un couple HA/AX\ce{HA/A-}. Base conjuguée = acide - un HX+\ce{H+} ; acide conjugué = base ++ un HX+\ce{H+}.

Exemplecouples usuels

2defcol!6white

AcideBase conjuguée
HCl / ClX\ce{HCl / Cl-}acide fort / base indifférente
CHX3COOH / CHX3COOX\ce{CH3COOH / CH3COO-}vinaigre
NHX4X+ / NHX3\ce{NH4+ / NH3}ion ammonium / ammoniac
HX3OX+ / HX2O\ce{H3O+ / H2O}HX3OX+\ce{H3O+} sans acide conjugué (HX4OX2+\ce{H4O^{2+}} n'existe pas)
HX2O / OHX\ce{H2O / OH-}OHX\ce{OH-} sans base conjuguée observable
Définition1.4ampholyte

Une espèce amphiprotique peut jouer l'acide ou la base selon le partenaire. Ex. : HX2O\ce{H2O} (HX2O/OHX\ce{H2O/OH-} et HX3OX+/HX2O\ce{H3O+/H2O}), HCOX3X\ce{HCO3-} (HCOX3X/COX3X2\ce{HCO3-/CO3^{2-}} et HX2COX3/HCOX3X\ce{H2CO3/HCO3-}), HX2POX4X\ce{H2PO4-}.

Définition1.5Lewis

Acide de Lewis : accepteur d'un doublet électronique. Base de Lewis : donneur d'un doublet. Plus général que Brønsted (ex. AgX+\ce{Ag+} + NHX3\ce{NH3} sans échange de proton).

2Électrolytes et force d'ionisation

Définition2.1électrolyte fort / faible

Fort : dissociation totale (KaK_a ou KbK_b élevé) — HCl\ce{HCl}, HBr\ce{HBr}, HNOX3\ce{HNO3}, NaOH\ce{NaOH}, KOH\ce{KOH}. Faible : dissociation partielle — CHX3COOH\ce{CH3COOH}, HF\ce{HF}, NHX3\ce{NH3}.

Formule2.1degré d'ionisation
α=quantiteˊ dissocieˊequantiteˊ dissoute,0α1.\boxed{\alpha = \frac{\text{quantité dissociée}}{\text{quantité dissoute}}}, \qquad 0\le\alpha\le1.

α=1\alpha=1 : électrolyte fort. α<1\alpha<1 : électrolyte faible.

Remarqueloi de dilution d'Ostwald
αKa/Ca.\alpha \approx \sqrt{K_a/C_a}.

Plus on dilue un acide faible, plus α\alpha augmente.

ExemplepH = pKaK_a \Rightarrow α=50 %\alpha=50\,\%

Si pH=pKa\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_a, Henderson donne [AX]=[HA][\ce{A-}]=[\ce{HA}], donc la moitié de l'acide est dissociée : α=50 %\alpha=50\,\%.

3Autoprotolyse de l'eau, pH et pOH

Règle3.1autoprotolyse de l'eau
2HX2OHX3OX++OHX.\boxed{\ce{2 H2O <=> H3O+ + OH-}}.
Formule3.1produit ionique KeK_e
Ke=[HX3OX+]×[OHX],Ke=1,0×1014 aˋ 25C.\boxed{K_e = [\ce{H3O+}]\times[\ce{OH-}]}, \qquad K_e = 1{,}0\times10^{-14}\ \text{à 25\,${}^{\circ}$$\mathrm{C}$}.
AttentionKeK_e ne contient jamais la concentration de l'eau

L'eau est le solvant (concentration quasi constante 55,6 mol L1\approx55{,}6\,\mathrm{mol}\,\mathrm{L}^{-1}), déjà incorporée dans KeK_e.

Règle3.2KeK_e dépend de TT

Autoprotolyse endothermique \Rightarrow KeK_e augmente avec TT (le pH neutre diminue). À une température où Ke1014K_e\ne10^{-14}, le pH neutre n'est plus 77.

Formule3.2pH, pOH
pH=log[HX3OX+],pOH=log[OHX],pH+pOH=pKe=14 aˋ 25C.\boxed{\mathrm{pH} = -\log[\ce{H3O+}]}, \qquad \mathrm{pOH} = -\log[\ce{OH-}], \qquad \boxed{\mathrm{pH}+\mathrm{pOH} = \mathrm{p}K_e = 14\ \text{à 25\,${}^{\circ}$$\mathrm{C}$}}.

Notation générale : pX=logX\mathrm{p}X=-\log X.

Règle3.3caractère d'une solution à 25 C25\,{}^{\circ}\mathrm{C}

Acide : pH<7\mathrm{pH}<7 ([HX3OX+]>[OHX][\ce{H3O+}]>[\ce{OH-}]). Neutre : pH=7\mathrm{pH}=7. Basique : pH>7\mathrm{pH}>7.

Attention« basique \Leftrightarrow pH>7>7 » seulement à 25 C25\,{}^{\circ}\mathrm{C} !

Si TT change, le pH neutre change : ne jamais oublier de préciser la température.

Figure 1 — L'échelle de pH à 25 C25\,{}^{\circ}\mathrm{C}.

Exempleun écart de 1 unité de pH = facteur 10 sur la concentration en HX3OX+\ce{H3O+}

pH=7,36\mathrm{pH}=7{,}36 (sang) vs pH=8,36\mathrm{pH}=8{,}36 : rapport 108,367,36=101=1010^{8,36-7,36}=10^1=10.

4Constantes d'acidité et de basicité

Formule4.1constante d'acidité
Ka=[AX]×[HX3OX+][HA],pKa=logKa.\boxed{K_a = \frac{[\ce{A-}]\times[\ce{H3O+}]}{[\ce{HA}]}}, \qquad \mathrm{p}K_a = -\log K_a.
Attentionsens du pKaK_a
Ka    pKa    aciditeˊ.K_a \nearrow \;\Longleftrightarrow\; \mathrm{p}K_a \searrow \;\Longleftrightarrow\; \text{acidité}\nearrow.

Acide fort \Rightarrow pKa<0\mathrm{p}K_a<0.

Formule4.2constante de basicité
Kb=[BH]×[OHX][B],pKb=logKb.\boxed{K_b = \frac{[\ce{BH}]\times[\ce{OH-}]}{[\ce{B}]}}, \qquad \mathrm{p}K_b = -\log K_b.
Propriété4.1relation KaK_a/KbK_b

Pour un même couple :

Ka×Kb=Ke,pKa+pKb=14 (aˋ 25C).\boxed{K_a\times K_b = K_e}, \qquad \boxed{\mathrm{p}K_a+\mathrm{p}K_b = 14\ \text{(à 25\,${}^{\circ}$$\mathrm{C}$)}}.
Règle4.1force croisée d'un couple

Plus un acide est fort, plus sa base conjuguée est faible (et réciproquement).

2formulacol!6white

CouplepKa\mathrm{p}K_aForce
HCl / ClX\ce{HCl / Cl-}<0<0fort
HF / FX\ce{HF / F-}3,453{,}45faible
CHX3COOH / CHX3COOX\ce{CH3COOH / CH3COO-}4,754{,}75faible
HX2COX3 / HCOX3X\ce{H2CO3 / HCO3-}6,46{,}4faible
NHX4X+ / NHX3\ce{NH4+ / NH3}9,259{,}25très faible
HCOX3X / COX3X2\ce{HCO3- / CO3^{2-}}10,410{,}4très faible
HX2O / OHX\ce{H2O / OH-}15,715{,}7référence en solution aqueuse

5Calcul du pH des solutions

Quatre formules à connaître par cœur.

Formule5.1acide fort

Dissociation totale : [HX3OX+]=Ca[\ce{H3O+}]=C_a.

pH=logCa.\boxed{\mathrm{pH} = -\log C_a}.
Formule5.2base forte

Dissociation totale : [OHX]=Cb[\ce{OH-}]=C_b.

pH=14+logCb(aˋ 25C).\boxed{\mathrm{pH} = 14 + \log C_b}\quad(\text{à 25\,${}^{\circ}$$\mathrm{C}$}).
Attentionfacteur 2 pour les diacides/dibases

Ba(OH)X2\ce{Ba(OH)2} donne [OHX]=2Cb[\ce{OH-}]=2C_b ; HX2SOX4\ce{H2SO4} donne (1re acidité) [HX3OX+]=Ca[\ce{H3O+}]=C_a mais compte double dans un titrage.

Formule5.3acide faible

Valable si α1\alpha\ll1 (i.e. CaKaC_a\gg K_a) :

pH=12(pKalogCa).\boxed{\mathrm{pH} = \tfrac12\left(\mathrm{p}K_a - \log C_a\right)}.
Formule5.4base faible

pKa\mathrm{p}K_a du couple BH/B\ce{BH/B} :

pH=7+12(pKa+logCb).\boxed{\mathrm{pH} = 7 + \tfrac12\left(\mathrm{p}K_a + \log C_b\right)}.
Exempleacide acétique 0,10 M

pKa=4,75\mathrm{p}K_a=4{,}75 : pH=12(4,75+1)2,88\mathrm{pH}=\tfrac12(4{,}75+1)\approx\mathbf{2{,}88}. Vérification : α=Ka/Ca1,3 %1\alpha=\sqrt{K_a/C_a}\approx1{,}3\,\%\ll1, l'approximation tient.

6Prédominance et distribution

Règle6.1domaines de prédominance du couple HA/AX\ce{HA/A-}
  • pH<pKa\mathrm{pH}<\mathrm{p}K_a : HA\ce{HA} prédomine.
  • pH>pKa\mathrm{pH}>\mathrm{p}K_a : AX\ce{A-} prédomine.
  • pH=pKa\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_a : [HA]=[AX][\ce{HA}]=[\ce{A-}] (50 %/50 %).

Règle pratique : HA\ce{HA} >90 %>90\,\% si pH<pKa1\mathrm{pH}<\mathrm{p}K_a-1 ; AX\ce{A-} >90 %>90\,\% si pH>pKa+1\mathrm{pH}>\mathrm{p}K_a+1.

Figure 2 — Diagramme de prédominance du couple HA/AX\ce{HA/A-}.

Formule6.1fractions du couple HA/AX\ce{HA/A-}
αHA=[HX3OX+][HX3OX+]+Ka,αAX=Ka[HX3OX+]+Ka.\alpha_{\ce{HA}} = \frac{[\ce{H3O+}]}{[\ce{H3O+}]+K_a}, \qquad \alpha_{\ce{A-}} = \frac{K_a}{[\ce{H3O+}]+K_a}.

Les deux courbes se croisent à pH=pKa\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_a (50 %50\,\% chacune).

Exempleespèce majoritaire de HX2COX3\ce{H2CO3} à pH 7,4

Couples HX2COX3/HCOX3X\ce{H2CO3/HCO3-} (pKa1=6,4pK_{a1}=6{,}4) et HCOX3X/COX3X2\ce{HCO3-/CO3^{2-}} (pKa2=10,4pK_{a2}=10{,}4). Comme 6,4<7,4<10,46{,}4<7{,}4<10{,}4 : HCOX3X\ce{HCO3-} domine (c'est le tampon du sang).

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J-0Le concours est le 27 août 2026chaque jour compte.

  • 7. Réactions acide-base : prévoir le sens
  • 8. Henderson-Hasselbalch et solutions tampons
  • 9. Titrages acide-base
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