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Transformations acide-base : couples, pH et ion H⁺

Acide et base de Brønsted, couple acide-base et demi-équation ; les couples de l’eau, de l’acide carbonique, des acides carboxyliques et des amines, avec leurs schémas de Lewis ; l’équation d’une réaction acide-base, à partir des couples ou d’observations ; l’espèce amphotère ; le pH et la concentration en ions oxonium ; l’autoprotolyse de l’eau et le produit ionique Ke.

À propos de cette page
Devoir surveillé de terminale spécialité sur les transformations acide-base, noté sur 20 en 1 h 30 avec calculatrice, et son corrigé détaillé : l’acide propanoïque et son schéma de Lewis, un souffle dans une soude à la phénolphtaléine, le contrôle d’un acide chlorhydrique, une solution d’hydroxyde de lithium et la copie d’un élève à corriger.
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Devoir surveillé · ★★ et ★★★ · Durée 90 min · Noté sur 20
90:00
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Devoir surveillé – Transformations acide-base : couples, pH et ion H+

Durée : 90 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spe-physique-chimie Terminale

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – L’acide propanoïque, un conservateur ★★

(4 pts)

L’acide propanoïque CH3–CH2–COOH est utilisé comme conservateur alimentaire (additif E280).

  1. a)Écrire le couple acide-base auquel appartient l’acide propanoïque et la demi-équation correspondante, puis l’équation de sa réaction avec l’eau, qui est limitée.
  2. b)L’acide propanoïque, de formule brute C3H6O2, possède six atomes d’hydrogène. Combien peut-il céder d’ions H+ ? Donner la formule semi-développée et la formule brute de sa base conjuguée, et nommer le groupe caractéristique qu’elle porte.
  3. c)Représenter le schéma de Lewis de l’acide propanoïque, après avoir compté ses électrons de valence.
  4. d)Un élève place la charge − de l’ion propanoate sur l’atome de carbone du groupe –COO−. Corriger, puis expliquer comment l’ion propanoate peut capter un ion H+.

Exercice 2 – Souffler dans une solution basique ★★

(4 pts)

Un bécher contient une soude diluée de pH 11,8 et quelques gouttes de phénolphtaléine, rose en milieu basique et incolore pour un pH inférieur à 8,2 environ. Un élève y souffle avec une paille : le dioxyde de carbone de son souffle se dissout, noté CO2,H2O. Après quelques minutes, la solution se décolore et le pH vaut 8,0. Couples : CO2,H2O/HCO3− ; HCO3−/CO32− ; H2O/HO−.

  1. a)Écrire l’équation de la réaction entre CO2,H2O et les ions hydroxyde, qui forme des ions hydrogénocarbonate.
  2. b)Tant que les ions HO− sont en excès, l’ion hydrogénocarbonate formé réagit avec eux. Écrire l’équation et préciser son rôle.
  3. c)Quand on continue à souffler, les ions carbonate réagissent selon CO32− + CO2,H2O → 2 HCO3−. Identifier l’acide et la base de cette réaction. Que montre ce qui précède pour l’ion HCO3− ?
  4. d)Calculer la concentration en ions oxonium au début et à la fin de l’expérience, puis le facteur par lequel elle a été multipliée.

Exercice 3 – Contrôler un acide chlorhydrique ★★

(4 pts)

Le chlorure d’hydrogène réagit totalement avec l’eau. Une solution S d’acide chlorhydrique a une concentration apportée c = 2,0 × 10−2 mol·L−1 ; on travaille à 25 °C.

  1. a)Écrire l’équation de la réaction du chlorure d’hydrogène avec l’eau, puis calculer le pH de S.
  2. b)On prélève 5,0 mL de S, que l’on complète à 100,0 mL avec de l’eau distillée. Calculer la concentration de la solution S′ obtenue et son pH.
  3. c)Une solution d’acide propanoïque (exercice 1) de même concentration apportée c a un pH de 3,3. Calculer sa concentration en ions oxonium et la comparer à c. Peut-on calculer son pH comme celui de S ? Justifier.
  4. d)Un élève affirme : « Si l’on dilue S deux fois, son pH double. » Corriger cette affirmation par un calcul.

Exercice 4 – Une solution d’hydroxyde de lithium ★★★

(4 pts)

L’hydroxyde de lithium est un solide qui se dissout entièrement dans l’eau : LiOH(s) → Li+(aq) + HO−(aq). On prépare une solution de concentration apportée c = 3,2 × 10−3 mol·L−1. Ke = 1,0 × 10−14 à 25 °C.

  1. a)Calculer, à 25 °C, [HO−], puis [H3O+] et le pH de la solution. Justifier, à l’aide des concentrations, qu’elle est basique.
  2. b)On dilue la solution 100 fois. Calculer le nouveau pH.
  3. c)On veut préparer 250,0 mL d’une solution de pH 10,0 à 25 °C à partir de la solution de départ. Calculer le volume à prélever.
  4. d)À 30 °C, Ke = 1,5 × 10−14. Calculer le pH de la solution de départ à cette température. Une autre solution a un pH de 7,0 à 30 °C : calculer sa concentration en ions hydroxyde et en déduire si elle est acide, neutre ou basique.

Exercice 5 – La copie de Malo ★★★

(4 pts)

Malo a écrit les quatre affirmations suivantes. Pour chacune, repérer ce qui est faux et rédiger la correction en la justifiant.

  1. a)« Le couple de l’ion méthylammonium s’écrit CH3NH2/CH3NH3+, et sa demi-équation est CH3NH2 + e− = CH3NH3+. »
  2. b)« Dans l’ion méthylammonium, l’atome d’azote porte un doublet non liant, comme dans la méthylamine. »
  3. c)« Pour faire réagir l’acide méthanoïque avec une base, je choisis l’ion méthanoate : HCOOH + HCOO− → HCOO− + HCOOH + H+. »
  4. d)« Une solution de pH 3,0 est deux fois plus acide qu’une solution de pH 6,0 ; à 25 °C, elles contiennent toutes deux 1,0 × 10−14 mol·L−1 d’ions HO−, puisque Ke = 1,0 × 10−14. »

Bon courage !

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Voir le corrigé et le barème
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Corrigé et barème – Transformations acide-base : couples, pH et ion H+

Durée : 90 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spe-physique-chimie Terminale

Exercice 1 – L’acide propanoïque, un conservateur ★★

(4 pts)
  1. a)Couple C2H5COOH/C2H5COO− et C2H5COOH = C2H5COO− + H+, sans électron (0,5 pt). L’eau joue le rôle de base : C2H5COOH + H2O ⇌ C2H5COO− + H3O+, double flèche car la réaction est limitée ; H+ n’apparaît plus (0,5 pt). (1)
  2. b)Un seul, celui du groupe –OH : les cinq H liés aux atomes de carbone ne partent pas (0,5 pt). Base conjuguée CH3–CH2–COO− (ion propanoate), de formule brute C3H5O2−, qui porte le groupe carboxylate –COO− (0,5 pt). (1)
  3. c)3 × 4 + 2 × 6 + 6 × 1 = 30 électrons, 15 doublets (0,5 pt) : 11 doublets liants (la double liaison C=O en compte 2) et 4 non liants, deux sur chaque oxygène (0,5 pt).HHHCCHHCOOH (1)
  4. d)La charge − est portée par l’oxygène qui a perdu son hydrogène : il a gardé les deux électrons de la liaison O–H et porte trois doublets non liants (0,5 pt). Il utilise l’un de ces doublets non liants pour former une liaison avec l’ion H+ (0,5 pt). (1)

Méthode — Le H cédé est celui du groupe –OH ; la base capte H+ grâce à un doublet non liant.

Exercice 2 – Souffler dans une solution basique ★★

(4 pts)
  1. a)CO2,H2O cède H+, HO− le capte : CO2,H2O + HO− → HCO3− + H2O (1 pt). (1)
  2. b)HCO3− + HO− → CO32− + H2O (0,5 pt) : HCO3− cède un ion H+, il joue le rôle d’acide (couple HCO3−/CO32−) (0,5 pt). (1)
  3. c)Acide : CO2,H2O (couple CO2,H2O/HCO3−) ; base : CO32− (couple HCO3−/CO32−) (0,5 pt). HCO3− est acide d’un couple et base de l’autre : il est amphotère (0,5 pt). (1)
  4. d)Début : [H3O+] = 10−11,8 ≈ 1,6 × 10−12 mol·L−1 ; fin, à pH 8,0 : 1,0 × 10−8 mol·L−1 (0,5 pt). Le pH a baissé de 3,8 unités : la concentration a été multipliée par 103,8, soit environ 6 000 (0,5 pt). (1)

À retenir — HCO3− cède H+ face à HO− et le capte face à CO2,H2O : le partenaire décide du rôle d’une espèce amphotère.

Exercice 3 – Contrôler un acide chlorhydrique ★★

(4 pts)
  1. a)HCl + H2O → H3O+ + Cl− (0,5 pt). [H3O+] = c, pH = −log(2,0 × 10−2) ≈ 1,7 (0,5 pt). (1)
  2. b)Facteur 100,0 ÷ 5,0 = 20 : c′ = 2,0 × 10−2 ÷ 20 = 1,0 × 10−3 mol·L−1 (0,5 pt), pH = 3,0 (0,5 pt). (1)
  3. c)[H3O+] = 10−3,3 ≈ 5,0 × 10−4 mol·L−1, environ 40 fois moins que c (0,5 pt). Non : pH = −log(c/c°) suppose que tout l’acide apporté a donné des ions H3O+, ce qui est vrai pour HCl mais pas pour l’acide propanoïque, dont seule une petite partie a cédé un ion H+ à l’eau ; la relation donnerait 1,7 au lieu de 3,3 (0,5 pt). (1)
  4. d)La concentration est divisée par 2 : pH = −log(1,0 × 10−2) = 2,0, soit 1,7 + log 2 ≈ 1,7 + 0,3 (0,5 pt). Le pH n’est pas proportionnel à la concentration : il ne double pas, il augmente de 0,3 (0,5 pt). (1)

Méthode — Diluer d’un facteur F fait monter le pH de log F : + 1 pour 10, + 0,3 pour 2. Et pH = −log c seulement si tout l’acide a réagi avec l’eau.

Exercice 4 – Une solution d’hydroxyde de lithium ★★★

(4 pts)
  1. a)[HO−] = c = 3,2 × 10−3 mol·L−1 ; [H3O+] = 1,0 × 10−14 ÷ (3,2 × 10−3) ≈ 3,1 × 10−12 mol·L−1, pH ≈ 11,5 (0,5 pt). [HO−] est bien supérieure à [H3O+] : la solution est basique (0,5 pt). (1)
  2. b)[HO−] = 3,2 × 10−5 mol·L−1, [H3O+] ≈ 3,1 × 10−10 mol·L−1 (0,5 pt), pH ≈ 9,5 : il a baissé de 2 unités (0,5 pt). (1)
  3. c)pH 10,0 : [H3O+] = 1,0 × 10−10 mol·L−1, donc [HO−] = 1,0 × 10−14 ÷ (1,0 × 10−10) = 1,0 × 10−4 mol·L−1, et non 10−10 (0,5 pt). Les ions HO− se conservent pendant la dilution : 3,2 × 10−3 × V = 1,0 × 10−4 × 0,2500, d’où V ≈ 7,8 × 10−3 L = 7,8 mL (facteur de dilution 32) (0,5 pt). (1)
  4. d)[H3O+] = 1,5 × 10−14 ÷ (3,2 × 10−3) ≈ 4,7 × 10−12 mol·L−1, pH ≈ 11,3 (0,5 pt). À pH 7,0 : [H3O+] = 1,0 × 10−7 mol·L−1, donc [HO−] = 1,5 × 10−14 ÷ (1,0 × 10−7) = 1,5 × 10−7 mol·L−1, plus que [H3O+] : la solution est légèrement basique à 30 °C, où « pH 7 » n’est pas la neutralité (0,5 pt). (1)

Méthode — Pour une base dont la dissolution est totale, [HO−] = c ; Ke, pris à la bonne température, donne [H3O+]. Le pH de neutralité vaut 7,0 seulement à 25 °C.

Exercice 5 – La copie de Malo ★★★

(4 pts)
  1. a)Deux erreurs : l’acide s’écrit en premier, couple CH3NH3+/CH3NH2 (0,5 pt) ; on échange un ion H+, pas un électron : CH3NH3+ = CH3NH2 + H+ (0,5 pt). (1)
  2. b)Faux : en captant H+, l’azote a formé une quatrième liaison avec son doublet non liant (0,5 pt). Dans l’ion méthylammonium, il est lié à quatre atomes, sans doublet non liant, et porte la charge + (0,5 pt). (1)
  3. c)Deux erreurs. H+ ne doit pas rester dans l’équation : la charge ne serait même pas conservée (−1 à gauche, 0 à droite) (0,5 pt). L’acide et la base d’un même couple ne réagissent pas : les produits seraient les réactifs. Il faut la base d’un autre couple, par exemple l’ammoniac : HCOOH + NH3 → HCOO− + NH4+ (0,5 pt). (1)
  4. d)3 unités de pH d’écart : la solution de pH 3,0 contient 103 = 1 000 fois plus d’ions H3O+ (0,5 pt). Ke est le produit [H3O+] × [HO−], pas la concentration d’un ion : [HO−] = 1,0 × 10−14 ÷ (1,0 × 10−3) = 1,0 × 10−11 mol·L−1 à pH 3,0 et 1,0 × 10−14 ÷ (1,0 × 10−6) = 1,0 × 10−8 mol·L−1 à pH 6,0 (0,5 pt). (1)

Le point clé — Un couple s’écrit acide/base et n’échange que des ions H+ ; une réaction met en jeu deux couples ; une unité de pH, c’est un facteur 10 ; Ke est un produit.

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Ce contrôle de spe-physique-chimie Terminale en bref

Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Transformations acide-base : couples, pH et ion H⁺ » : 5 exercices, 90 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.

  • Exercice 1 — L’acide propanoïque, un conservateur ★★/ 4 pts
  • Exercice 2 — Souffler dans une solution basique ★★/ 4 pts
  • Exercice 3 — Contrôler un acide chlorhydrique ★★/ 4 pts
  • Exercice 4 — Une solution d’hydroxyde de lithium ★★★/ 4 pts
  • Exercice 5 — La copie de Malo ★★★/ 4 pts

Pour préparer ce contrôle

  1. Relire le cours et la fiche de révision.
  2. Refaire les exercices corrigés.
  3. Se tester avec le QCM (36 questions).
  4. Faire ce sujet en conditions réelles — 90 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.

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Questions fréquentes sur ce sujet
Combien de temps dure ce contrôle sur « Transformations acide-base : couples, pH et ion H⁺ » ?
90 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
Le corrigé est-il fourni ?
Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
Oui : c'est un devoir surveillé complet de 90 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
Ce sujet suit-il le programme de spe-physique-chimie de terminale ?
Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Transformations acide-base : couples, pH et ion H⁺ » du programme officiel de spe-physique-chimie en terminale.
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