Réaction acide faible/base forte (et vice versa) ; effet tampon dosage

Exercice 1

N.B : Toutes les solutions aqueuses envisagées sont à la température de $25^{\circ}C$

L'acide benzoïque de formule $C_{6}H_{5}-COOH$ est un acide faible dont le $pKa$ vaut $4.2.$

1. Après avoir défini un acide, rappeler la différence entre un acide fort et faible.

2. Écrire l'équation bilan traduisant l'action de cet acide sur l'eau.

3. Une solution aqueuse d'acide benzoïque de concentration $C_{1}$ inconnue a un $pH$ égal à $3.1$

3.1. Mise à part l'eau, quelles sont les espèces chimiques présentes en solution ?

3.2. Exprimer, puis calculer, les concentrations de ces espèces chimiques.

3.3. Quelle masse d'acide benzoïque faut-il utiliser pour préparer $1\,L$ de la solution ?

4. On mélange un volume de $V_{2}$ d'une solution de benzoate de sodium de concentration $C_{2}$ à un volume $V_{1}$ de la solution d'acide benzoïque précédente, et l'on obtient une solution de $pH$ égal à $4.2.$

4.1. Énumérer les espèces chimiques présentes dans la solution.

Quel volume $V_{2}$ de solution de benzoate de sodium faut-il utiliser dans le cas où : $C_{2}=56\cdot 10^{-2}mol\cdot L^{-1}$ et $V_{1}=40\,cm^{3}$ ?

4.2. Quelles sont les propriétés particulières de la solution

Exercice 2

Acide benzoïque

L'acide benzoïque, de formule $C_{6}H_{5}COOH$, est un solide blanc peu soluble dans l'eau. C'est un conservateur utilisé dans l'industrie alimentaire, en particulier dans les boissons, où il est désigné par son code européen : $E 210$

1. On dispose d'une solution $A$ d'acide benzoïque de concentration molaire volumique : $C_{a}=1.00\cdot 10^{-2}mol\cdot L^{-1}$

1.1. Quelle est la masse d'acide benzoïque utilisé pour préparer $500\,mL$ de solution $A$ ?

1.2. Le $pH$ de la solution $A$ est égal à : $3.1$

L'acide benzoïque est-il un acide fort ou un acide faible ?

Justifier la réponse
.
1.3. Le $pK_{a}$ du couple acide benzoïque / ion benzoate est : $pK_{a}=4.20$ à $25^{\circ}C$

1.3.1. Écrire l'équation-bilan de la réaction entre l'acide benzoïque et l'eau.

1.3.2. Quelle est l'espèce chimique prédominante (acide benzoïque ou ion benzoate) dans la solution étudiée $\left(pH=3.1\right)$ ?

2. Dans un volume $V_{A}=20.0\,mL$, de solution $A$, on verse progressivement une solution $B$ de soude (ou hydroxyde de sodium) de concentration : $C_{B}=2.00\cdot 10^{-2}mol\cdot L^{-1}$

2.1. Écrire l'équation-bilan de la réaction entre l'acide benzoïque et l'ion hydroxyde.

2.2. Cette réaction est-elle totale ? Justifier la réponse.

2.3. Le $pH$ à l'équivalence est-il inférieur, égal ou supérieur à $7$ ? Justifier sans calcul.

Déterminer par calcul le volume $V_{bE}$ de solution de soude versé à l'équivalence.

3. On mélange un volume $V_{A}=20.0\,mL$ de solution $A$, et un volume $V_{B}^{'}=8.00\,mL$ de solution $B'$ d'éthylamine de concentration molaire volumique : $C_{B}^{'}=2.00\cdot 10^{-2}mol\cdot L^{-1}$

L'éthylamine est une base faible, de formule $C_{2}H_{5}NH$, dont l'acide conjugué est l'ion éthylammonium de formule $C_{2}H_{5}NH_{3}^{-}$

Le $pK_{a}$ du couple $C_{2}H_{5}NH_{3}^{4}/C_{2}H_{5}NH_{2}$ est : $pK_{a}=10.7$

3.1. Placer sur une échelle de $pK_{a}$ les couples acide / base en présence dans le mélange.

3.2. Identifier à la lecture de ce classement la réaction qui a la plus grande constante et écrire son équation-bilan.

3.3. Cette réaction est-elle totale ? Justifier.

En déduire la concentration en ions benzoate dans le mélange.

Données : Masses molaires atomiques : $C=12.0$ ; $O=16.0$ ; $H=1.00\,g\cdot mol^{-1}$

Produit ionique de l'eau : $Ke=1.0\cdot 10^{-14}$ dans les conditions de l'exercice

Exercice 3

Solutions d'ammoniac

Toutes les solutions sont prises à $25.0^{\circ}C$, température pour laquelle le produit ionique de l'eau est :
$Ke=1.00\cdot 10^{-14}$

Les solutions commerciales d'ammoniaque sont préparées par dissolution d'ammoniac gazeux, $NH_{3}(g)$, dans l'eau.

L'étiquette d'une solution commerciale d'ammoniaque comporte les indications suivantes :

«$M_{NH_{3}}=17.0\,g\cdot mol^{-1}$ ;  pourcentage $NH_{3}$ en masse : $r=25.0\%$ ; $\rho=910\○,g\cdot L^{-1}$».

On prépare une solution $S$ d'ammoniaque en prélevant un volume $V=5.00\,mL$ de solution commerciale, que l'on dilue de manière à obtenir un volume $V_{S}=1.00\,L$ de solution $S.$

On mesure ensuite le $pH$ de la solution $S$ ; on trouve $pH(S)=1.0$

1. Calculer la concentration en soluté apporté dans la solution commerciale.

2. Décrire, sous forme de schémas légendés, le protocole de la préparation de la solution $S.$

3. 3.1. Calculer la concentration $C_{S}$ en soluté apporté dans la solution $S.$

3.2. Écrire l'équation chimique de la réaction de l'ammoniac sur l'eau.

3.3. Déterminer les concentrations molaires volumiques des espèces chimiques présentes dans la solution $S.$

3.4. Montrer que l'ammoniac n'a pas réagi totalement avec l'eau dans la solution $S.$

4.4.1. Quel est le nom de l'acide conjugué de l'ammoniac ?

4.2 Exprimer, en fonction de $K_{A}$, la constante d'équilibre $K$ associée à la réaction de l'ammoniac sur l'eau.

4.5. Calculer une valeur numérique de $K$ et conclure

4.4 Écrire l'équation chimique de la réaction qui se produit entre l'acide conjugué de l'ammoniac et l'eau.

4.3. Exprimer la constante d'équilibre $K_{A}$ associée à l'équation précédente.

Calculer une valeur numérique de $K_{A}$

5. Le diagramme ci-dessous représente les pourcentages des espèces acide et basique du couple étudier

5.1. Identifier les courbes $1$ et $2.$

5.2. Quelle est la distribution des espèces du couple étudié dans la solution $S$ ?

5.3. En utilisant ce diagramme, déterminer une valeur numérique de $KA$

Justifier la réponse.

5.4. Quel serait le $pH$ d'une solution d'ammoniaque qui contiendrait $80\%$ de $NH_{3}$ ?

6. On dispose d'une solution de soude, ou hydroxyde de sodium, de même concentration en soluté apporté que la solution $S.$

6.1. Quelle est la concentration en ion hydroxyde dans cette solution ?

6.2. Quel est le $pH$ de cette solution de soude ? Commenter le résultat.

Exercice 4

On donne :

$M_{H}=1.0\,g\cdot mol^{-1}$ ;

$M_{0}=16\,g\cdot mol^{-1}$ ;

$M_{C}=12\,g\cdot mol^{-1}$ ;

$M_{Na}=23\,g\cdot mol^{-1}$
 
On dissout une masse $m=0.6\,g$ d'un acide inconnu de formule brute dans un volume $V=100\,m\cdot L$ dans l'eau pure.

On prélève $20\,ml$ de cette solution aqueuse que l'on verse dans un bécher.

On introduit une solution aqueuse de $NaOH$ de concentration $C_{b}=0.1\,mol\cdot L^{-1}$
Le dosage est suivi au $pH$-mètre et les mesures sont regroupées dans le tableau suivant. Le dosage s'effectue à $25^{\circ}C$

1.1. Faire le schéma annoté du dispositif expérimental et décrire brièvement le mode opératoire

1.2. Tracer la courbe $pH=f\left(V_{b}\right)$ et déterminer la concentration molaire de l'acide $AH$

1.3. Calculer la masse molaire de l'acide $AH$ ainsi que sa formule semi-développée

1.4. Écrire l'équation-bilan de la réaction chimique

1.5. Déterminer graphiquement le $pK_{A}$ du couple acide-base

2. Calculer le $pH$ du mélange lorsqu'on a versé $V_{b}=8\,m\cdot L$

On néglige les concentrations des ions $H_{3}O^{-}$ et $OH-$ devant celles des autres espèce chimiques

3. La phénolphtaléine met en jeu le couple $HIn d$/ $\In d$-dont le $pKi=9$

La forme acide $HLnd$ de cet indicateur est incolore et la forme basique $Ind^{-}$ est rouge violacé.

Une solution contenant quelques gouttes de cet indicateur est incolore si

$[HInd]\succ 6.3\left[Ind^{-}\right]$ ;

est rouge violacée si $\left[Ind^{-}\right]\succ 10[HInd]$

3.1. Quelles sont les valeurs du $pH$ délimitant la zone de virage de cet indicateur coloré ?

3.2. Cet indicateur coloré est-il approprié à ce dosage ? Justifier la réponse

4. On prépare $100\,mL$ d'une solution en mélangeant un volume $V_{1}$ de l'acide $AH$ avec un volume $V_{2}$ de solution de $NaOH$ de concentration $C_{b}=0.1\,mol\cdot L^{-1}$

Le $pH$ du mélange est $4.8$

4.1. Quel est le nom d'un tel mélange ?

Quelles propriétés présente-t-il ?

4.2. Calculer les volumes $V_{1}$ et $V_{2}$
 
Exercice 5

Toutes les expériences sont réalisées à $25^{\circ}C$, température à laquelle le produit ionique de l'eau est $Ke=10^{-14}$

Au cours d'une séance de travaux pratiques, on suit l'évolution du $pH$ du mélange réactionnel lors de l'ajout d'un volume $V_{B}$ d'une solution aqueuse de hydroxyde de sodium $NaOH$ de concentration $C_{B}=0.02\,mol\cdot L^{-1}$, à un volume $V_{A}=20\,mL$ d'une solution $S$ d'acide éthanoïque

$CH_{3}COOH$ de concentration $C_{A}=0.01\,mol\cdot L^{-1}$ et de $pH$ initial $pH_{0}$

On porte, dans le tableau ci-dessous, les résultats des mesures relatifs à sept points $H$, $I$, $J$, $K$, $L$, $M$ et $N$ de la  courbe $pH=f\left(V_{B}\right)$ Point

$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Point }&H&I&J&K&L&M&N\\ \hline V_{B}(mL)&0&2&5&8&10&12&14\\
\hline pH&3.4&4.2&4.8&5.4&8.3&11.1&11.5\\ \hline \end{array}$

1. Préciser la valeur de $pH_{0}$ et en déduire que l'acide éthanoïque est un acide faible.

2.1. Définir l'équivalence acido-basique.

2.2. Préciser, en le justifiant, le point correspondant au point d'équivalence ainsi que celui correspondant au point de demi-équivalence parmi ceux figurant dans le tableau précédent.

2.3. En déduire la valeur du $pK_{A}$ du couple acide/base correspondant à l'acide éthanoïque.

3.1. Écrire l'équation de la réaction du dosage de l'acide éthanoïque par l'hydroxyde de sodium et montrer qu'elle est totale.

3.2. Justifier le caractère basique au point d'équivalence.

4. Pour permettre une bonne immersion de l'électrode combinée du $pH-$ mètre dans le mélange réactionnel, on ajoute un volume $Ve$ d'eau distillée au volume $V_{A}=20\,mL$ de la solution $S$ précédente et on refait le dosage avec la même solution d'hydroxyde de sodium.

Le $pH$ initial du mélange réactionnel vaut dans ce cas: $pH_{o}^{'}=3.7$

On suppose que l'acide éthanoïque de concentration $C_{A}$ demeure faible et que son $pH$ vérifie la relation : $pH=\dfrac{1}{2}\left(pK_{A}-log C_{A}\right)$

4.1. Montrer que : $Ve=\alpha V_{A}$; où α est une constante que l'on exprimera en fonction de $pH_{0}$ et $pH_{0}^{'}.$

Calculer alors $Ve$

4.2. Préciser, en le justifiant et sans faire de calcul, si à la suite de cette dilution, les grandeurs suivantes restent inchangées ou subissent une augmentation ou une diminution :

$-\ $le volume de la base ajoutée pour atteindre l'équivalence ;

$-\ $le $pH$ à la demi-équivalence ;

$-\ $le $pH$ à l'équivalence.

Exercice 6  

Indicateurs colorés

On considère une solution de concentration $C_{A}=10^{-2}mol\cdot L^{-1}$ d'acide benzoïque $C_{6}H_{5}COO^{-}$ dont la base conjuguée est l'ion benzoate $C_{6}H_{5}COO^{-}$
 
1. On prélève deux échantillons de cette solution acide $25^{\circ}C$ et on y ajoute respectivement du bleu de bromophénol et du vert de bromocrésol.

$\begin{array}{|c|c|c|} \hline \text{Indicateur coloré }&\text{Teinte de l'indicateur en fonction de }pH\\
\hline \text{Bleu de bromocrésol}&\text{jaune }3.0&\text{ vert }5.4&\text{bleu}\\ \hline \text{Vert de bromocrésol }&\text{jaune }&3.8\text{ vert }5.4&\text{bleu }\\ \hline \end{array}$

Le bleu de bromophénol prend une teinte verte et le vert de bromocrésol une teinte jaune.

Entre quelles limites se situe le $pH$ de la solution acide ? L'acide benzoïque est-il fort ?

2. A $V_{A}=20\,mL$ de cette solution acide, on ajoute $V_{B}=10\,mL$ de solution d'hydroxyde de sodium (soude) de concentration $C_{B}=10^{-2}mol\cdot L^{-1}$

Le $pH$ du mélange est $4.2$
 
Montrer que le mélange constitue une solution tampon.

Déterminer la constante d'acidité $K_{A}$ et le $pK_{A}$ du couple acide benzoïque/ion benzoate

Pour préparer un volume $V=150\,mL$ d'une solution tampon $T$ de $Ph=9.2$ on dispose de un litre de chacune des solutions suivantes :

$-\ $ $HCl$ de concentration $C_{1}=0.1\,mol\cdot L^{-1}$

$-\ $ $NaOH$ de concentration $C_{2}=5\cdot 10^{-2}mol\cdot L^{-1}$

$-\ $ $NH_{3}$ de concentration $C_{4}=0.1\,mol\cdot L^{-1}$

$-\ $ $NH_{4}Cl$ de concentration $C_{4}=0.1\,mol\cdot L^{-1}$

$-\ $ $CH_{3}COOH$ de concentration $C_{5}=0.1\,mol\cdot L^{-1}$

Indiquer trois manières précises de fabriquer la solution tampon.

Données :

$pKa\left( NH_{4}^{+}/NH_{3}\right)=9.2$ ;

$pKa\left(  CH_{3}COOH/CH_{3}COO\right)=4.2$

Exercice 7
    
On se propose d'étudier le dosage d'une solution aqueuse d'amine $RNH_{2}$ de concentration molaire $C_{B}=0.032\,mol\cdot L^{-1}$ par une solution aqueuse d'acide chlorhydrique $HCl.$

On verse progressivement la solution de $HCl$ dans un volume $V_{B}=20\,cm$ de solution d'amine $RNH_{2}$

Le tableau suivant nous montre la valeur du $pH$ du mélange pour chaque volume d'acide versé $\left(V_{A}mL\right)$

$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline V_{A}(mL)&0&1&2&3&4&4.5&5&5.2&5.4&5.6&6\\ \hline pH&11.4&11.0&10.7&10.4&10.2&10.1&9.8&9.7&9.4&9.3&8.75\\ \hline V_{A}(mL)&6.2&6.4&6.6&6.8&7&7.5&8&9&10&11&12\\
\hline pH&8.4&6.8&5.6&3.7&3.2&2.75&2.5&2.2&2&1.9&1.85\\ \hline \end{array}$

1. Écrire la réaction de l’amine $RNH_{2}$ avec l'eau.    

2. Tracer dans le document la courbe représentant la variation du $pH$ du mélange en fonction du volume $V_{A}$ d'acide chlorhydrique versé.    

Échelle :1 cm pour une unité de $pH.$

$1\,cm$ pour $1\,mL$ de volume versé.

3. Écrire l'équation de la réaction responsable de la variation du $pH$ du mélange.    

4. A l'aide de la courbe précédente, déterminer graphiquement :

$-\ $les coordonnées du point d'équivalence.    

$-\ $le $pK_{A}$ du couple $RNH_{3}^{+}/RNH_{2}$
    
5. La solution obtenue à l'équivalence est-elle acide, basique ou neutre ? Justifier la réponse.  

6. Déterminer la concentration molaire de la solution acide utilisée.    

On donne :

$M(C)=12\,g\cdot mol^{-1}$ ;

$M(H)=1\,g\cdot mol^{-1}$

Exercice 8

Le jus de chou rouge : indicateur coloré

Le jus de chou rouge a une couleur qui dépend du $pH$ du milieu dans lequel il se trouve :
$p$

$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline pH&0-4&4-6&7-8&9-12&13-14\\ \hline \text{Couleur du jus }&\text{Rouge }&\text{Violet }&\text{Bleu }&\text{Vert }&\text{Jaune}\\ \hline \end{array}$

On se propose de l'utiliser comme indicateur coloré acido-basique naturel dans le dosage d'une solution d'acide éthanoïque, $CH_{3}COOH$, par de la soude (ou hydroxyde de sodium).

1. La mesure du $pH$ d'une solution décimolaire d'acide éthanoïque fournit : $pH_{1}=2.9$

Montrer que l'acide éthanoïque est un acide faible dans l'eau et écrire l'équation-bilan de sa réaction avec ce solvant.

2. On désire préparer : $V_{2}=100\,mL$ d'une solution d'acide éthanoïque centimolaire, à partir de la solution mère du $1.$

Proposer, sous forme de schémas légendés, un protocole expérimental pour cette préparation.

3. On a réalisé le dosage $pH$ métrique de : $V_{a}=20.0\,mL$ de la solution centimolaire d'acide éthanoïque par $V\,mL$ d'une solution de soude également centimolaire.

La courbe obtenue est figurée ci- dessous

3.1. Faire un schéma annoté du dispositif de dosage, en indiquant en particulier les noms des récipients utilisés et les réactifs qu'ils contiennent.

3.2. Écrire l'équation-bilan de la réaction de dosage.

3.3. Donner la définition de l'équivalence du dosage et déterminer les coordonnées du point d'équivalence sur la courbe expérimentale. En déduire une valeur de la concentration molaire volumique $C_{2}$ de la solution d'acide éthanoïque dosée.

3.4. En l'absence de $pH$-mètre, aurait-on pu utiliser comme indicateur coloré le jus de chou rouge ?

Justifier précisément la réponse

4. Un logiciel de simulation permet d'obtenir les courbes $1$, $2$ et $3$ figurées ci-dessous, qui correspondent aux conditions de dosage du $^{\circ}$

Les courbes $2$ et $3$ représentent les pourcentages des espèces du couple éthanoïque / éthanoate au cours du dosage.

4.1. Identifier, en justifiant la réponse, chacune des courbes $2$ et $3.$

4.2. Montrer que le point d'intersection des courbes $2$ et $3$ permet de déterminer une valeur du $pKa$ du couple éthanoïque / éthanoate.

Exercice 9

1. On dispose d'une solution de chlorure d'ammonium $\left(NH_{4}Cl\right)$ de concentration $C=6\cdot 10^{-2}mol/L$
Le $pH$ de cette solution est $5.3$

1.1. Calculer les concentrations des espèces chimiques présentes dans cette solution.

1.2. Calculer la valeur de la constante $K_{A}$ et celle du $pK_{A}$ du couple $NH_{4}^{+}/NH_{3}$

2. A un volume $V_{B}=20\,mL$ d'une solution

d'ammoniac $NH_{3}$ de concentration inconnue $C_{B}$, on ajoute progressivement une solution d'acide chlorhydrique de concentration $C_{A}=10^{-1}mol\cdot L^{-1}$

On obtient la courbe du $pH$ ci-dessous

2.1. Écrire l'équation bilan de la réaction acido-basique qui a lieu lors du dosage.

2.2. Déterminer graphiquement :

$-\ $Les coordonnées du point d'équivalence $E$ ;
- Le $pKa$ du couple $NH_{4}^{+}/NH_{3}$

En déduire la valeur de sa constante d'acidité $Ka$

2.3. Calculer la concentration $C_{B}$ de la solution dosée

2.4. Donner le nom et les propriétés du mélange au cours du dosage pour $pH=pKa$

Exercice 10

On dose un volume $V_{a}=10\,mL$ d'une solution d'acide benzoïque  $C_{6}H_{5}COOH$ par une solution d'hydroxyde de sodium de concentration $C_{B}=1.0\cdot 10^{-1}$ On donne la courbe du dosage correspondante

1. Faire le schéma annoté du dispositif permettant de réaliser le dosage.

2. Écrire l'équation de la réaction du dosage.

3. Déterminer la concentration $C_{A}$ de la solution d'acide benzoïque.

4. Donner le nom de la solution obtenue à
l'équivalence.

5. Déterminer, graphiquement, le $pKa$ du couple de l'acide benzoïque.

6.  Pour un volume $V_{B}=3\,mL$ de soude versé ; calculer les concentrations des espèces chimiques présentes dans le milieu.

Retrouver la valeur de $pKa$

7. On dispose de deux indicateurs colorés :

L'hélianthine $\text{(zone de virage }: 3.2-4.4)$ et la phénolphtaléine $\text{(zone de virage }: 8-10)$.

Lequel de ces deux indicateurs faut-il utiliser pour effectuer le dosage ?

Justifier