Terminale · Spécialité Physique-Chimie

Modélisation des transformations acide-base

Cours interactif — couples de Brønsted, pH, force des acides — Terminale spécialité

Pourquoi analyser un système chimique ?

Analyser un système, c'est déterminer ce qu'il contient et en quelle quantité. Dans la vie courante, cette question se pose partout.

💧 Eau du robinet

Le pH est mesuré en permanence. On vérifie aussi les concentrations en ions Ca²⁺ ou en nitrates NO₃⁻.

🩸 Prise de sang

Un bilan sanguin mesure la concentration en glucose, cholestérol, ions… Chaque dosage utilise une méthode d'analyse précise.

⚗️ Vinaigre

L'étiquette "5% d'acidité" a été obtenue par un dosage acido-basique — une méthode chimique d'analyse.

🌞 Piscine

On teste régulièrement pH et taux de chlore avec des bandelettes colorées. Méthodes physique et chimique combinées.

Modélisation acide-base de Brønsted
🍋 Jus de citron, médicaments, eau gazeuse, produits ménagers…
Contexte historique

En 1923, le chimiste danois Johannes Nicolaus Brønsted (et indépendamment Thomas Lowry) propose une définition plus générale des acides et des bases que celle d'Arrhenius, valable dans tout solvant et sans restriction à l'eau.

Définition — Acide de Brønsted

Un acide est toute espèce chimique (molécule ou ion) capable de céder (donner) un proton H⁺ à une autre espèce.

On dit qu'il est donneur de proton.

Définition — Base de Brønsted

Une base est toute espèce chimique (molécule ou ion) capable de capter (accepter) un proton H⁺ venant d'une autre espèce.

On dit qu'elle est accepteur de proton.

Le couple acide / base conjuguée

Un acide et une base sont dits conjugués s'ils ne diffèrent que d'un proton H⁺. On les note AH / A⁻ (ou plus généralement Acide / Base).

AH  ⇌  A⁻  +  H⁺

Cette demi-équation se lit dans les deux sens :

AH cède H⁺ : c'est le comportement acide
AH est l'acide du couple AH / A⁻

A⁻ capte H⁺ : c'est le comportement base
A⁻ est la base conjuguée de AH

⚠️ Le proton H⁺ n'existe jamais seul en solution aqueuse. Il est immédiatement capté par l'eau pour former l'ion oxonium H₃O⁺. C'est pourquoi on écrit les demi-équations avec H⁺, mais dans la réaction complète on fait intervenir H₃O⁺.
La réaction acide-base — transfert de proton

Une réaction acide-base met toujours en jeu deux couples et correspond à un transfert de proton de l'acide vers la base.

Couple 1 (acide qui donne H⁺) :   AH  →  A⁻  +  H⁺
Couple 2 (base qui reçoit H⁺) :   B  +  H⁺  →  BH⁺

Réaction bilan :   AH  +  B  ⇌  A⁻  +  BH⁺

Dans cette réaction, on identifie :

Couple 1 AH / A⁻
AH est l'acide (donne H⁺)
A⁻ est sa base conjuguée

Couple 2 BH⁺ / B
B est la base (reçoit H⁺)
BH⁺ est son acide conjugué

Exemples développés — couples du quotidien

Exemple 1 — Dissolution de l'acide nitrique dans l'eau (pluies acides)

Pour simplifier, on assimile l’acide nitrique au couple HNO₃ / NO₃⁻. En solution aqueuse, HNO₃ est un acide fort qui réagit totalement avec l’eau pour former les ions H₃O⁺ et NO₃⁻.
HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃⁻
Couple 2  H₃O⁺ / H₂O  : H₂O + H⁺ → H₃O⁺ (H₂O reçoit H⁺)
Bilan : HNO₃ + H₂O → NO₃⁻ + H₃O⁺  (réaction totale → acide fort)

Exemple 2 — Dissolution de l'acide acétique dans l'eau (vinaigre)

Couple 1  CH₃COOH / CH₃COO⁻  : CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻ + H⁺
Couple 2  H₃O⁺ / H₂O  : H₂O + H⁺ ⇌ H₃O⁺
Bilan : CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺  (équilibre → acide faible)

Exemple 3 — Dissolution de l'ammoniac dans l'eau (produit ménager)

Couple 1  H₂O / OH⁻  : H₂O ⇌ OH⁻ + H⁺ (H₂O donne H⁺)
Couple 2  NH₄⁺ / NH₃  : NH₃ + H⁺ ⇌ NH₄⁺ (NH₃ reçoit H⁺)
Bilan : NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻  (équilibre → base faible)
L'amphotérisme — une espèce acide ET base

Certaines espèces peuvent à la fois céder et capter un proton selon leur partenaire de réaction : on les dit amphotères (ou ampholytes).

L'eau H₂O — le cas le plus important

Acide du couple H₂O / OH⁻ : H₂O ⇌ OH⁻ + H⁺

Base du couple H₃O⁺ / H₂O : H₃O⁺ ⇌ H₂O + H⁺

L'eau est amphotère : elle peut donner ou recevoir un H⁺ selon les conditions.

L'ion hydrogénocarbonate HCO₃⁻

Acide du couple HCO₃⁻ / CO₃²⁻ : HCO₃⁻ ⇌ CO₃²⁻ + H⁺

Base du couple H₂CO₃ / HCO₃⁻ : HCO₃⁻ + H⁺ ⇌ H₂CO₃

Présent dans l'eau gazeuse et le sang (système tampon).

Représentation de Lewis — le cas des acides carboxyliques et des amines

Deux familles de molécules organiques portent des groupes caractéristiques capables d'échanger un proton H⁺ : le groupe carboxyle −COOH (acide) et le doublet non liant de l'azote d'une amine (base).

Acide carboxylique — groupe −COOH

Exemple : l'acide acétique CH₃COOH (vu plus haut, dans le vinaigre). Le groupe carboxyle porte un atome de carbone doublement lié à un premier atome d'oxygène (2 doublets non liants sur cet O), et simplement lié à un second atome d'oxygène qui porte lui aussi 2 doublets non liants et est lié à l'hydrogène acide.

CH₃−C(=O)−O−H  ⇌  CH₃−C(=O)−O⁻  +  H⁺

En perdant H⁺, l'atome d'oxygène qui portait la liaison O−H récupère un doublet non liant supplémentaire et porte la charge négative de l'ion acétate CH₃COO⁻.

Amine — doublet non liant sur l'azote

Exemple : la méthylamine CH₃NH₂ (odeur caractéristique du poisson peu frais). L'atome d'azote, lié à un carbone et deux hydrogènes, porte un doublet non liant disponible pour capter un H⁺ : c'est ce doublet qui fait de l'amine une base de Brønsted.

CH₃−NH₂  +  H⁺  ⇌  CH₃−NH₃⁺

Une fois le doublet engagé dans la nouvelle liaison N−H, l'azote de l'ion méthylammonium CH₃NH₃⁺ (couple CH₃NH₃⁺ / CH₃NH₂, pKa ≈ 10,7) ne porte plus de doublet non liant et porte la charge +.

Couples acide/base du quotidien

Acide fort

HNO₃ dans les pluies acides
couple HNO₃ / NO₃⁻ · acide fort (totalement dissocié)

Acide faible

CH₃COOH dans le vinaigre
couple CH₃COOH / CH₃COO⁻ · pKa = 4,75

Base forte

Ion hydroxyde OH⁻ présent dans les solutions d’hydroxyde de sodium (NaOH)
couple H₂O / OH⁻ · pKa = 14

Base faible

NH₃ dans les produits ménagers
couple NH₄⁺ / NH₃ · pKa = 9,25

Le pH

\(\text{pH} = -\log([H_3O^+])\)
⚠️ Une variation d’une unité de pH correspond à une concentration en ions H₃O⁺ multipliée ou divisée par 10.
Une solution de pH 3 est donc 10 fois plus acide qu’une solution de pH 4.
💡 Les élèves ont souvent du mal avec cette notion.
À 25 °C :
• pH < 7 : solution acide
• pH = 7 : solution neutre
• pH > 7 : solution basique
Échelle de pH — boissons courantes
0 — acide7 — neutre14 — basique
🍋 Citron ≈ 2,5☕ Cola ≈ 3💧 Eau = 7🥛 Lait ≈ 6,5🧴 Savon ≈ 9

Force d'un acide — la constante d'acidité Ka

Tous les acides ne cèdent pas leur proton avec la même facilité : certains réagissent totalement avec l'eau (acides forts, comme HNO₃ plus haut), d'autres seulement en partie (acides faibles, comme CH₃COOH). Cette « force » se mesure par une constante caractéristique du couple AH / A⁻, la constante d'acidité Ka — la constante d'équilibre de la réaction entre l'acide et l'eau.

\(K_a = \dfrac{[A^-]\cdot[H_3O^+]}{[AH]}\)     \(\text{p}K_a = -\log(K_a)\)

Plus Ka est grand (donc pKa petit), plus l'équilibre AH + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺ est déplacé vers la droite : l'acide cède facilement son proton, il est plus fort. À l'inverse, un grand pKa signale un acide qui reste très majoritairement sous forme AH en solution.

Méthode (capacité exigible) — estimer Ka à partir d'une mesure de pH

C'est le sens attendu par le programme officiel : on connaît la concentration apportée C d'un acide faible AH, on mesure son pH, et on en déduit Ka grâce à un bilan de matière (tableau d'avancement), sans approximation supplémentaire :

1
\([H_3O^+] = 10^{-\text{pH}}\) (à partir du pH mesuré)
2
À l'équilibre : \([A^-] \approx [H_3O^+]\) et \([AH]_{\text{éq}} = C - [H_3O^+]\)
3
\(K_a = \dfrac{[A^-]\cdot[H_3O^+]}{[AH]_{\text{éq}}} = \dfrac{[H_3O^+]^2}{C-[H_3O^+]}\)

C'est cette méthode qui est directement exigible — voir l'exercice dédié dans la fiche d'exercices du chapitre.

Pour aller plus loin — retrouver le pH sans mesure (fréquent en sujet de bac)

Le sens inverse (calculer le pH à partir de pKa et C, sans mesure) n'est pas une capacité exigible du programme, mais apparaît souvent dans les sujets de bac. Si l'acide est peu dissocié, l'approximation \([AH]_{\text{éq}} \approx C\) permet d'établir :

\(\text{pH} = \dfrac{1}{2}\big(\text{p}K_a - \log C\big)\)

⚠️ Valable seulement si l'acide est peu dissocié (en pratique, dès que pKa − pH > 1 environ). Pour un acide fort, la dissociation est totale : on utilise directement [H₃O⁺] = C, sans passer par Ka (voir Exemple 1 plus haut).

📌 Ce qu'il faut retenir du chapitre 1
• Un acide cède un proton H⁺, une base le capte (Brønsted, 1923) — un couple conjugué s'écrit AH / A⁻.
• Une réaction acide-base met toujours en jeu deux couples : l'acide du couple 1 réagit avec la base du couple 2.
• L'eau est amphotère : acide du couple H₂O/OH⁻, base du couple H₃O⁺/H₂O.
• Groupe carboxyle −COOH (acide carboxylique) et doublet non liant de l'azote (amine) : deux groupes caractéristiques à savoir représenter en formule de Lewis, côté acide comme côté base conjuguée.
• pH = −log[H₃O⁺] : chaque unité de pH correspond à un facteur 10 sur la concentration en H₃O⁺.
• Acide fort (dissociation totale) : [H₃O⁺] = C, donc pH = −log C.
• Acide faible (équilibre, constante Ka) : à partir d'une mesure de pH et de C, Ka = [H₃O⁺]² / (C − [H₃O⁺]) — capacité exigible. La formule pH = ½(pKa − log C) (sens inverse, acide peu dissocié) est un complément utile pour les sujets de bac, non exigé en tant que tel.
📝 Envie de t'entraîner davantage ?

9 exercices dédiés à ce chapitre (couples, Lewis, pH, Ka, acide fort, + 1 exercice de synthèse difficile), avec corrections détaillées.

Voir les 9 exercices →
Quiz — Vérifie ta compréhension
4 questions : culture générale, calcul de pH, modélisation acide-base. Chaque réponse est expliquée.

1. Le jus de citron a un pH de 2,5. Quelle affirmation est vraie ?

2. Dans un dosage base faible / acide fort, le pH à l'équivalence est…

3. Une solution d'acide acétique (pKa = 4,75) à C = 0,10 mol/L. Quel est son pH ?

Indice : acide faible → pH = ½(pKa − log C)

4. Le pH d’une solution d’acide fort HNO₃ à C = 0,01 mol·L⁻¹ est :

Bilan de compétences — Que sais-je faire ?

Coche honnêtement chaque compétence. Les cases cochées sont sauvegardées localement.

0/4
Commence par cocher les compétences maîtrisées ↑