Force des acides et des bases — pH, Ka/Kb et exemples faciles

Force des acides et bases

Autoprotolyse et constante $K_e$

L'eau réagit sur elle-même pour former des ions.

• Produit ionique : $K_e = [H_3O^+]_{eq} \times [HO^-]_{eq}$ vaut $10^{-14}$ à $25^\circ\text{C}$.
• Relation pH : $pK_e = -\log(K_e) = 14$.

Acide fort et base forte

Leur réaction avec l'eau est totale.

• Acide fort : $pH = -\log(C_a)$
• Base forte : $pH = pK_e + \log(C_b)$

Exemple : Pour un acide fort à $C_a = 10^{-2} \text{ mol/L}$ : $pH = -\log(10^{-2}) = 2$

💡 Attention : Un acide fort réagit totalement avec l'eau, sa concentration finale en molécules $AH$ est donc nulle.

Couples faibles et pH

Acide faible et base faible

Leur réaction avec l'eau est limitée (équilibre).

• Acide faible : ne réagit pas totalement ; caractérisé par $K_A < 1$.
• Constante d'acidité : $K_A = \frac{[A^-]_{eq} \times [H_3O^+]_{eq}}{[AH]_{eq}}$ et $pK_A = -\log(K_A)$.

Diagramme de prédominance

La comparaison entre pH et $pK_A$ indique l'espèce majoritaire.

• $pH < pK_A$ : l'acide $AH$ prédomine.
• $pH > pK_A$ : la base $A^-$ prédomine.
• $pH = pK_A$ : égalité parfaite, $[AH]_{eq} = [A^-]_{eq}$.

💡 Astuce : Plus le $pK_A$ d'un couple est petit, plus son acide est fort et sa base est faible.

Diagrammes et indicateurs

Diagramme de distribution

Il montre le pourcentage de chaque espèce en fonction du pH.

• Intersection : les courbes de $AH$ et $A^-$ se croisent à $50\%$ quand $pH = pK_A$.

Indicateurs colorés

Espèces chimiques dont la couleur dépend du pH.

• Zone de virage : intervalle $[pK_A - 1 \,;\, pK_A + 1]$ où la couleur change.
• Teinte sensible : mélange des couleurs de l'acide et de la base.

💡 Mémo : Le diagramme de prédominance est une simple ligne graduée en pH, tandis que le diagramme de distribution affiche des courbes.

Acides aminés et solutions tampons

Les acides aminés

Ils possèdent un groupe carboxyle $-\text{COOH}$ et un groupe amine $-\text{NH}_2$.

• Amphion : forme dipolaire neutre issue d'un transfert de $H^+$ interne.
• Caractère amphotère : l'amphion est à la fois l'acide d'un couple et la base d'un autre.

Solution tampon

Mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée en proportions voisines.

• Propriété : son pH varie très peu par ajout d'acide, de base, ou par dilution.
• Rôle : étalonnage des pH-mètres et régulation des milieux biologiques.

💡 Attention : Le sang humain est une solution tampon naturelle qui maintient le pH autour de $7,4$.