Équilibre chimique et force des acides / bases

Exercice 1 : Évolution d'un système chimique (7 points)

On prépare une solution en mélangeant dans une fiole jaugée :

• $V_1 = 50,0 \text{ mL}$ d'une solution d'acide éthanoïque ($CH_3COOH$) de concentration $C_1 = 0,10 \text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$.

• $V_2 = 50,0 \text{ mL}$ d'une solution d'ammoniac ($NH_3$) de concentration $C_2 = 0,10 \text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$.

Le volume total de la solution est donc $V_{tot} = 100,0 \text{ mL}$. La réaction susceptible de se produire a pour équation :

$CH_3COOH_{(aq)} + NH_{3(aq)} \rightleftharpoons CH_3COO^-*{(aq)} + NH*{4(aq)}^+$

Données :

• Constante d'acidité du couple $CH_3COOH / CH_3COO^-$ : $K_{A1} = 1,6 \times 10^{-5}$ (soit $pK_{A1} = 4,8$)

• Constante d'acidité du couple $NH_4^+ / NH_3$ : $K_{A2} = 6,3 \times 10^{-10}$ (soit $pK_{A2} = 9,2$)

Questions

1. Calculer les quantités de matière initiales d'acide éthanoïque et d'ammoniac introduites dans le mélange. (1,5 point)

2. Exprimer la constante d'équilibre $K$ de la réaction en fonction de $K_{A1}$ et $K_{A2}$, puis la calculer. (2 points)

3. On suppose que la transformation n'a pas encore eu lieu. Le système est donc initialement hors équilibre.

a. Déterminer la valeur du quotient de réaction initial, $Q_{r,i}$. On considérera que les ions éthanoate et ammonium sont initialement absents. (1,5 point)

b. En comparant $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$, prévoir le sens d'évolution spontanée du système. Justifier. (2 points)

Exercice 2 : Diagramme de distribution et pKA (6 points)

On s'intéresse au couple acide/base de l'acide hypochloreux $HClO / ClO^-$. L'ion hypochlorite $ClO^-$ est le principe actif de l'eau de Javel. Le diagramme de distribution des espèces de ce couple en fonction du pH est donné ci-dessous.

Diagramme de distribution de l'acide hypochloreux en fonction du pH. L'axe des ordonnées représente le pourcentage de chaque espèce (de 0% à 100%). L'axe des abscisses représente le pH (de 0 à 14). La courbe A part de 100% à pH=0 et décroît. La courbe B part de 0% à pH=0 et croît. Les deux courbes se croisent à 50%.

(Note : l'image est une description, le candidat devra raisonner sur cette description)

Questions

1. Attribuer chaque courbe (A et B) à l'une des espèces du couple, $HClO$ ou $ClO^-$. Justifier votre choix. (2 points)

2. À l'aide du diagramme, estimer la valeur du $pK_A$ du couple $HClO / ClO^-$. Expliquer la méthode utilisée. (2 points)

3. Un flacon d'eau de Javel commercial a un pH de 12. Quelle est l'espèce du couple qui prédomine très majoritairement dans ce flacon ? (1 point)

4. Calculer la valeur du rapport $\frac{[ClO^-]}{[HClO]}$ dans une solution dont le pH est ajusté à 8,0. (1 point)

Exercice 3 : Le sang, une solution tampon (7 points)

Le maintien du pH sanguin dans une plage très étroite (entre 7,35 et 7,45) est vital pour le bon fonctionnement de l'organisme. Cette régulation est principalement assurée par le couple de l'acide carbonique et de l'ion hydrogénocarbonate, $H_2CO_3 / HCO_3^-$.

Ce couple est issu de la dissolution du dioxyde de carbone ($CO_2$) dans le sang.

$CO_{2(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons H_2CO_3{(aq)}$

L'acide carbonique $H_2CO_3$ ainsi formé participe à l'équilibre acido-basique suivant :

$H_2CO_3{(aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons HCO_3^-{(aq)} + H_3O^+_{(aq)}$

Données :

• $pK_A$ du couple $H_2CO_3 / HCO_3^-$ à la température du corps humain : $pK_A = 6,1$.

• pH normal du sang : $pH_{sanguin} \approx 7,4$.

Questions

1. Tracer le diagramme de prédominance du couple $H_2CO_3 / HCO_3^-$. (1,5 point)

2. En utilisant la valeur du pH sanguin, déterminer quelle est la forme (acide ou basique) du couple qui prédomine dans le sang. (1,5 point)

3. Lors d'un effort physique intense, le métabolisme produit de l'acide lactique, ce qui libère des ions $H_3O^+$ dans le sang et tend à en diminuer le pH.

a. Quelle est l'espèce ($H_2CO_3$ ou $HCO_3^-$) qui réagit avec cet excès d'ions $H_3O^+$ ? (1 point)

b. Écrire l'équation de la réaction qui se produit. (1 point)

c. Expliquer en quoi cette réaction constitue un "effet tampon" qui limite la variation du pH sanguin. (2 points)