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MPSI · Physique-chimie · Constitution et transformations de la matière · Chapitre 25

Acide-base et précipitation

Fiche de cours13 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026
AttentionLa limite officielle à garder en tête d’un bout à l’autre du chapitre

Le programme énonce : « on évite tout calcul inutile de concentration, en privilégiant l’utilisation des diagrammes pour valider le choix de la réaction mise en jeu. Dans ce cadre, aucune formule de calcul de pH n’est exigible ». Le pH est donc toujours donné, mesuré ou lu sur un diagramme : on ne récite pas pH=12(pKA−log⁡c)\mathrm{pH}=\frac12(\mathrm{p}K_{A}-\log c) ni aucune de ses variantes, tout se fait par diagramme, réaction prépondérante et tableau d’avancement. Et : « les dosages par titrage sont étudiés exclusivement en travaux pratiques ».

1Couples acide-base de Brønsted

Définition. Un acide est une espèce susceptible de céder un proton HX+\ce{H+} ; une base est une espèce susceptible d’en capter un. À tout acide AH\ce{AH} correspond une base AX−\ce{A^-}, et le couple acide/base conjugués est noté AH\ce{AH}/AX−\ce{A^-} ; il est défini par sa demi-équation

AH=AX−+HX+.\ce{AH = A^- + H+}.

Une espèce à la fois acide d’un couple et base d’un autre est dite amphotère (ou ampholyte) : HX2O\ce{H2O}, HCOX3X−\ce{HCO3^-}, HX2POX4X−\ce{H2PO4^-}, HPOX4X2−\ce{HPO4^2-}. Un polyacide possède plusieurs protons cédables : HX3POX4\ce{H3PO4} est un triacide, auquel correspondent trois couples successifs.

Notation. En solution aqueuse le proton n’existe pas libre : il est porté par l’eau sous forme d’ion oxonium HX3OX+\ce{H3O+}. Une réaction acide-base est donc toujours un transfert de proton entre l’acide d’un couple et la base d’un autre :

AX1H+AX2X−=AX1X−+AX2H.\ce{A1H + A2^- = A1^- + A2H}.

Méthode — identifier le caractère acido-basique d’une réaction. Chercher si l’équation se décompose en deux demi-équations AH=AX−+HX+\ce{AH = A^- + H+} : s’il y a transfert d’un ou plusieurs protons et aucun transfert d’électron, la réaction est acido-basique. Un changement de nombre d’oxydation signerait une oxydo-réduction, la seule dissociation d’un solide en ions une dissolution.

2Autoprotolyse de l’eau, pH

Théorème — produit ionique de l’eau. L’eau est amphotère et réagit sur elle-même : 2 HX2O(l)=HX3OX+(aq)+OHX−(aq)\ce{2 H2O(l) = H3O+(aq) + OH^-(aq)}. La constante de cette équation est le produit ionique de l’eau

 Ke=[HX3OX+] [OHX−](c∘)2 ,Ke=1,0×10−14 aˋ 25∘C,pKe=−log⁡Ke=14,0.\boxed{\ K_e=\frac{[\ce{H3O+}]\,[\ce{OH^-}]}{(c^\circ)^2}\ },\qquad K_e={1{,}0\times10^{-14}}\ \text{à}\ {25{}^{\circ}\mathrm{C}},\qquad \mathrm{p}K_e=-\log K_e=14{,}0 .

L’eau, solvant, n’y figure pas : son activité vaut 11.

Définition. Le pH d’une solution est défini par pH=−log⁡a(HX3OX+)=−log⁡([HX3OX+]/c∘)\mathrm{pH}=-\log a(\ce{H3O+})=-\log\bigl([\ce{H3O+}]/c^\circ\bigr), soit [HX3OX+]=c∘ 10−pH[\ce{H3O+}]=c^\circ\,10^{-\mathrm{pH}}. À 25∘C{25{}^{\circ}\mathrm{C}}, pH+pOH=pKe=14,0\mathrm{pH}+\mathrm{pOH}=\mathrm{p}K_e=14{,}0 ; la solution est acide si pH<7,0\mathrm{pH}<7{,}0, basique si pH>7,0\mathrm{pH}>7{,}0.

Remarque. KeK_e ne dépend que de TT : à 60∘C{60{}^{\circ}\mathrm{C}}, pKe=13,0\mathrm{p}K_e=13{,}0 et l’eau pure a pour pH 6,56{,}5 sans être acide, puisque [HX3OX+]=[OHX−][\ce{H3O+}]=[\ce{OH^-}]. La neutralité, c’est pH=pKe/2\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_e/2, pas pH=7\mathrm{pH}=7.

3Constante d’acidité

Définition. La constante d’acidité du couple AH\ce{AH}/AX−\ce{A^-} est la constante d’équilibre de la réaction de l’acide sur l’eau, AH(aq)+HX2O(l)=AX−(aq)+HX3OX+(aq)\ce{AH(aq) + H2O(l) = A^-(aq) + H3O+(aq)} :

 KA=[AX−] [HX3OX+][AH] c∘ ,pKA=−log⁡KA.\boxed{\ K_A=\frac{[\ce{A^-}]\,[\ce{H3O+}]}{[\ce{AH}]\,c^\circ}\ },\qquad \mathrm{p}K_{A}=-\log K_A .

KAK_A est sans dimension (le c∘c^\circ au dénominateur est indispensable) et ne dépend que de TT : ni de la concentration, ni de la dilution.

Propriété — couple conjugué. La base AX−\ce{A^-} réagit sur l’eau selon AX−+HX2O=AH+OHX−\ce{A^- + H2O = AH + OH^-}, de constante KBK_B. Comme cette équation est la différence de l’autoprotolyse et de la précédente,

 KA KB=Ke soitpKA+pKB=pKe=14,0.\boxed{\ K_A\,K_B=K_e\ }\qquad\text{soit}\qquad \mathrm{p}K_{A}+\mathrm{p}K_B=\mathrm{p}K_e=14{,}0 .

Plus un acide est fort, plus sa base conjuguée est faible.

Définition. Un acide est fort dans l’eau si sa réaction sur l’eau est totale : son pKA\mathrm{p}K_{A} est inférieur à 00, l’espèce AH\ce{AH} n’existe pas en solution aqueuse, et l’acide le plus fort qui puisse subsister est HX3OX+\ce{H3O+}. Symétriquement, une base forte réagit totalement et la base la plus forte qui subsiste est OHX−\ce{OH^-} : c’est le nivellement par le solvant. Un acide est faible si sa réaction sur l’eau est limitée par un équilibre (0<pKA<140<\mathrm{p}K_{A}<14).

Attentionfort ≠\neq concentré

« Fort » qualifie la réaction sur l’eau (donc KAK_A), « concentré » la quantité apportée (donc cc) : l’acide chlorhydrique à 10−6 mol⋅L−1{10^{-6}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}} est très dilué et pourtant fort, l’acide acétique pur est très concentré et pourtant faible.

4Les acides et les bases usuels — liste officielle

NomFormuleNatureCouple et pKA\mathrm{p}K_{A}
acide chlorhydriqueHCl\ce{HCl}acide fortnivelé en HX3OX+\ce{H3O+}
acide nitriqueHNOX3\ce{HNO3}acide fortnivelé ; NOX3X−\ce{NO3^-} indifférent
acide sulfuriqueHX2SOX4\ce{H2SO4}diacide : 1re1^{\text{re}} acidité forte, 2e2^{\text{e}} faibleHSOX4X−\ce{HSO4^-}/SOX4X2−\ce{SO4^2-} : 1,91{,}9
acide phosphoriqueHX3POX4\ce{H3PO4}triacide faible2,12{,}1 ; 7,27{,}2 ; 12,312{,}3
acide acétique (éthanoïque)CHX3COOH\ce{CH3COOH}acide faibleCHX3COOH\ce{CH3COOH}/CHX3COOX−\ce{CH3COO^-} : 4,84{,}8
soude (hydroxyde de sodium)NaOH\ce{NaOH}base forteapporte OHX−\ce{OH^-} ; NaX+\ce{Na+} indifférent
ion hydrogénocarbonateHCOX3X−\ce{HCO3^-}acide faible, et amphotèreHCOX3X−\ce{HCO3^-}/COX3X2−\ce{CO3^2-} : 10,310{,}3
ammoniacNHX3\ce{NH3}base faibleNHX4X+\ce{NH4+}/NHX3\ce{NH3} : 9,29{,}2

Notation. La soude est un solide ionique : sa dissolution NaOH(s)→NaX+(aq)+OHX−(aq)\ce{NaOH(s) -> Na+(aq) + OH^-(aq)} est totale, et l’on parle de la concentration apportée en OHX−\ce{OH^-}. Les ions NaX+\ce{Na+}, ClX−\ce{Cl^-}, NOX3X−\ce{NO3^-} sont indifférents : bases conjuguées d’acides forts, ils ne jouent aucun rôle acido-basique. L’ion HCOX3X−\ce{HCO3^-} est amphotère ; son couple acide, celui du dioxyde de carbone dissous (pKA=6,4\mathrm{p}K_{A}=6{,}4), ne figure pas dans la liste officielle.

5Diagramme de prédominance

Propriété — la relation clé. En passant au logarithme dans l’expression de KAK_A :

 log⁡[AX−][AH]=pH−pKA soit[AX−][AH]=10 pH−pKA.\boxed{\ \log\frac{[\ce{A^-}]}{[\ce{AH}]}=\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_{A}\ }\qquad\text{soit}\qquad \frac{[\ce{A^-}]}{[\ce{AH}]}=10^{\,\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_{A}}.

Donc : pH<pKA⇒[AH]>[AX−]\mathrm{pH}<\mathrm{p}K_{A}\Rightarrow[\ce{AH}]>[\ce{A^-}] — l’acide prédomine en milieu acide ; pH>pKA⇒\mathrm{pH}>\mathrm{p}K_{A}\Rightarrow la base prédomine ; pH=pKA⇒[AH]=[AX−]\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_{A}\Rightarrow[\ce{AH}]=[\ce{A^-}].

Définition. Le diagramme de prédominance du couple est l’axe des pH partagé par la frontière pH=pKA\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_{A} en deux domaines, celui où l’acide est majoritaire et celui où la base l’est. Pour un polyacide, on range les pKA\mathrm{p}K_{A} par valeurs croissantes : les espèces se succèdent de la plus protonée (à gauche) à la moins protonée.

Figure 1 — Diagrammes de prédominance de l’acide acétique et de l’acide phosphorique.

Méthode — espèces incompatibles. Deux espèces dont les domaines de prédominance sont disjoints ne peuvent pas coexister en quantités comparables : elles réagissent l’une sur l’autre. C’est l’outil de prévision le plus rapide du chapitre : HX3POX4\ce{H3PO4} et HPOX4X2−\ce{HPO4^2-} sont incompatibles, CHX3COOH\ce{CH3COOH} et NHX3\ce{NH3} le sont aussi.

6Diagramme de distribution

Définition. Le diagramme de distribution donne, en fonction du pH, le pourcentage de chaque espèce du (ou des) couple(s), rapporté à la concentration totale CC de l’élément considéré. Pour un monoacide, en divisant l’identité C=[AH]+[AX−]C=[\ce{AH}]+[\ce{A^-}] par [AH][\ce{AH}] puis par [AX−][\ce{A^-}] :

 f(AH)=11+10 pH−pKA,f(AX−)=11+10 pKA−pH ,f(AH)+f(AX−)=1.\boxed{\ f(\ce{AH})=\frac{1}{1+10^{\,\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_{A}}},\qquad f(\ce{A^-})=\frac{1}{1+10^{\,\mathrm{p}K_{A}-\mathrm{pH}}}\ },\qquad f(\ce{AH})+f(\ce{A^-})=1 .

Propriété — lectures. Les deux courbes se croisent à 50 %50\,\% exactement à pH=pKA\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_{A} : c’est ainsi qu’on lit un pKA\mathrm{p}K_{A} sur un diagramme fourni. Une unité de pH de part et d’autre donne 90,9 %90{,}9\,\% / 9,1 %9{,}1\,\%, deux unités 99 %99\,\% / 1 %1\,\%. Pour un polyacide, la courbe d’une espèce amphotère passe par un maximum, atteint au milieu de ses deux frontières, pH=12(pKAi+pKAi+1)\mathrm{pH}=\frac12(\mathrm{p}K_{Ai}+\mathrm{p}K_{Ai+1}) — exactement pour un diacide, à mieux que 10−810^{-8} unité de pH près pour HX3POX4\ce{H3PO4}.

Figure 2 — Diagramme de distribution de l’acide acétique : les courbes se croisent à 50 %50\,\% pour pH=pKA=4,8\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_{A}=4{,}8.

7Prévoir et exploiter une réaction acide-base

Théorème — constante d’une réaction acide-base. La réaction de l’acide du couple 11 sur la base du couple 22, AX1H+AX2X−=AX1X−+AX2H\ce{A1H + A2^- = A1^- + A2H}, est la différence des deux équations définissant KA1K_{A1} et KA2K_{A2}, donc

 K∘=KA1KA2=10 pKA2−pKA1 .\boxed{\ K^\circ=\frac{K_{A1}}{K_{A2}}=10^{\,\mathrm{p}K_{A2}-\mathrm{p}K_{A1}}\ }.

Elle est d’autant plus favorisée que l’acide 11 est fort et la base 22 forte : l’acide le plus fort réagit sur la base la plus forte. C’est un cas particulier de la capacité « déterminer K∘K^\circ pour une équation combinaison linéaire d’équations dont les constantes sont connues ».

Propriété — seuils. K∘>104K^\circ>10^{4} : réaction quasi totale ; K∘<10−4K^\circ<10^{-4} : négligeable ; entre les deux, l’équilibre doit être traité par un tableau d’avancement.

Méthode — réaction prépondérante — la méthode du chapitre. (i) recenser toutes les espèces apportées et leurs concentrations ; (ii) les placer sur un axe des pKA\mathrm{p}K_{A} (acides à gauche de leur frontière, bases à droite) ; (iii) la réaction prépondérante est celle de l’acide le plus fort présent sur la base la plus forte présente : c’est elle qui a la plus grande constante ; (iv) la traiter seule, par un tableau d’avancement, en écrivant Qr=K∘Q_r=K^\circ à l’équilibre (ou en concluant à une transformation totale) ; (v) recommencer avec les espèces qui subsistent ; (vi) valider par le diagramme de prédominance.

Exempleun état final par tableau d’avancement

Solution d’acide acétique de concentration apportée c0=10−2 mol⋅L−1c_0={10^{-2}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}, KA=10−4,8=1,58×10−5K_A=10^{-4,8}={1{,}58\times10^{-5}}. Une seule réaction est possible : CHX3COOH+HX2O=CHX3COOX−+HX3OX+\ce{CH3COOH + H2O = CH3COO^- + H3O+}. En notant yy l’avancement volumique (en mol⋅L−1{\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}) et en négligeant l’autoprotolyse de l’eau devant elle :

y2(c0−y) c∘=KA ⟹ y2+KA y−KAc0=0 ⟹ y=3,90×10−4 mol⋅L−1 (seule racine positive),\frac{y^2}{(c_0-y)\,c^\circ}=K_A \ \Longrightarrow\ y^2+K_A\,y-K_A c_0=0 \ \Longrightarrow\ y={3{,}90\times10^{-4}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}\ \text{(seule racine positive)},

d’où τf=y/c0=3,9×10−2\tau_{\text{f}}=y/c_0={3{,}9\times10^{-2}}. Le pH qui en résulte, −log⁡(3,90×10−4)=3,4-\log({3{,}90\times10^{-4}})=3{,}4, est inférieur à pKA=4,8\mathrm{p}K_{A}=4{,}8 : le diagramme confirme que CHX3COOH\ce{CH3COOH} reste majoritaire, donc que τf\tau_{\text{f}} doit être petit. Aucune formule de pH n’a servi : un tableau d’avancement et Qr=K∘Q_r=K^\circ, rien de plus.

8Réactions de dissolution et de précipitation

Définition. La réaction de dissolution d’un solide ionique MXpXXq(s)\ce{M_pX_q(s)} s’écrit conventionnellement dans le sens de la mise en solution :

MXpXXq(s)=p MXq+(aq)+q XXp−(aq).\ce{M_pX_q(s) = $p$ M^{q+}(aq) + $q$ X^{p-}(aq)} .

Sa constante d’équilibre est le produit de solubilité

 Ks=([MXq+]c∘)p([XXp−]c∘)q ,pKs=−log⁡Ks.\boxed{\ K_s=\left(\frac{[\ce{M^{q+}}]}{c^\circ}\right)^{p}\left(\frac{[\ce{X^{p-}}]}{c^\circ}\right)^{q}\ },\qquad \mathrm{p}K_{s}=-\log K_s .

Le solide, seul dans sa phase, a une activité égale à 11 : il ne figure pas dans KsK_s. KsK_s est sans dimension et ne dépend que de TT.

Définition. La solubilité ss du solide est la quantité de matière maximale que l’on peut dissoudre par litre de solution saturée, en mol⋅L−1{\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}} (ou en g⋅L−1{\mathrm{g}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}} en multipliant par MM).

Propriété — relation s↔Kss\leftrightarrow K_s dans l’eau pure. Elle dépend de la stœchiométrie, et seulement d’elle :

AgCl (1:1) : Ks=s2, s=Ks ;CaFX2 (1:2) : Ks=4s3 ;Fe(OH)X3 (1:3) : Ks=27 s4.\ce{AgCl}\ (1:1)\ :\ K_s=s^2,\ s=\sqrt{K_s}\ ;\qquad \ce{CaF2}\ (1:2)\ :\ K_s=4s^3 \ ;\qquad \ce{Fe(OH)3}\ (1:3)\ :\ K_s=27\,s^4 .

Plus généralement Ks=p pq qs p+qK_s=p^{\,p}q^{\,q}s^{\,p+q}. Comparer deux KsK_s de stœchiométries différentes pour classer deux solubilités est une faute.

Théorème — condition de précipitation. On calcule le quotient réactionnel de l’équation de dissolution dans l’état considéré, Qr=([MXq+]/c∘)p([XXp−]/c∘)qQ_r=\bigl([\ce{M^{q+}}]/c^\circ\bigr)^p\bigl([\ce{X^{p-}}]/c^\circ\bigr)^q, et on le compare à KsK_s :

 Qr<Ks non satureˊe, pas de solide;Qr=Ks satureˊe, solide aˋ l’eˊquilibre;Qr>Ks le preˊcipiteˊ apparaıˆt .\boxed{\ Q_r<K_s\ \text{non saturée, pas de solide}\quad;\quad Q_r=K_s\ \text{saturée, solide à l'équilibre}\quad;\quad Q_r>K_s\ \text{le précipité apparaît}\ }.
Attentionle solide doit exister

L’égalité Qr=KsQ_r=K_s n’est légitime que si le précipité est effectivement présent à l’équilibre : si l’on a introduit trop peu de matière, tout se dissout et l’état final vérifie Qr<KsQ_r<K_s — c’est la rupture d’équilibre du chapitre 12, à contrôler systématiquement.

Définition. Le domaine d’existence d’un précipité est l’ensemble des valeurs de la variable (souvent le pH, parfois log⁡c\log c d’un ion) pour lesquelles Qr⩾KsQ_r\geq K_s, le solide étant alors présent. Contrairement à un diagramme de prédominance, il dépend de la concentration de l’espèce dissoute : il faut toujours préciser la convention de tracé.

Exempledomaine d’existence de Fe(OH)X3\ce{Fe(OH)3}, pKs=38\mathrm{p}K_{s}=38

Fe(OH)X3(s)=FeX3++3 OHX−\ce{Fe(OH)3(s) = Fe^3+ + 3 OH^-} : le précipité apparaît quand [OHX−]=(Ks/[FeX3+])1/3[\ce{OH^-}]=\bigl(K_s/[\ce{Fe^3+}]\bigr)^{1/3}, soit pH=2,0\mathrm{pH}=2{,}0 pour [FeX3+]=10−2 mol⋅L−1[\ce{Fe^3+}]={10^{-2}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}} et pH=3,0\mathrm{pH}=3{,}0 pour 10−5 mol⋅L−1{10^{-5}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}. Le fer(III) précipite dès les milieux franchement acides : c’est ce qui permet de débarrasser un effluent de son fer par simple ajout de soude.

9Facteurs influençant la solubilité

Propriété — effet d’ion commun. Ajouter dans la solution l’un des ions du solide diminue sa solubilité : à KsK_s fixé, augmenter une activité impose de diminuer l’autre. Pour AgCl\ce{AgCl} dans une solution de concentration apportée cc en ClX−\ce{Cl^-} : s (s+c)=Kss\,(s+c)=K_s, et si c≫sc\gg s, s≃Ks/cs\simeq K_s/c. Avec pKs=9,75\mathrm{p}K_{s}=9{,}75 : s=1,33×10−5 mol⋅L−1s={1{,}33\times10^{-5}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}} dans l’eau pure, s=1,78×10−8 mol⋅L−1s={1{,}78\times10^{-8}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}} dans NaCl\ce{NaCl} à 10−2 mol⋅L−1{10^{-2}\,\mathrm{mol}{\cdot}\mathrm{L}^{-1}}, soit 750750 fois moins.

Propriété — effet du pH. Si l’un des ions du solide est une base (ou un acide) faible, abaisser (ou élever) le pH le consomme, donc augmente la solubilité. Deux cas très fréquents :

  • hydroxyde : à pH imposé, s=[MX3+]=Ks[OHX−]3=KsKe3 [HX3OX+]3s=[\ce{M^{3+}}]=\dfrac{K_s}{[\ce{OH^-}]^3}=\dfrac{K_s}{K_e^{3}}\,[\ce{H3O+}]^3, soit pour Fe(OH)X3\ce{Fe(OH)3} log⁡s=4−3 pH\log s=4-3\,\mathrm{pH} : une droite de pente −3-3.
  • sel d’acide faible : la dissolution est renforcée par la protonation de l’anion. Combinaison linéaire : BaCOX3(s)+HX3OX+=BaX2++HCOX3X−+HX2O\ce{BaCO3(s) + H3O+ = Ba^2+ + HCO3^- + H2O} a pour constante K∘=Ks/KA2=10−8,3+10,3=102K^\circ=K_s/K_{A2}=10^{-8{,}3+10{,}3}=10^{2}.

Propriété — effet de la température. KsK_s dépend de TT : pour la plupart des sels la dissolution est endothermique, la solubilité croît avec TT — d’où la recristallisation par refroidissement.

Méthode — exploiter une courbe de solubilité. On trace presque toujours log⁡s\log s en fonction d’une variable logarithmique : les lois en puissance deviennent des droites dont la pente donne la stœchiométrie et l’ordonnée à l’origine donne KsK_s. Pour AgCl\ce{AgCl} en présence de ClX−\ce{Cl^-} apporté, log⁡s=log⁡Ks−log⁡[ClX−]\log s=\log K_s-\log[\ce{Cl^-}] : droite de pente −1-1. Pour Fe(OH)X3\ce{Fe(OH)3} à pH imposé, pente −3-3 (figure 3).

Figure 3 — Fe(OH)X3\ce{Fe(OH)3} : log⁡s=4−3 pH\log s=4-3\,\mathrm{pH}.

10Capacités expérimentales, démonstrations à savoir refaire

Savoir-faireTravaux pratiques : les deux capacités expérimentales du programme
  • Mettre en œuvre une réaction acide-base et une réaction de précipitation pour réaliser une analyse quantitative. Voie acide-base : dosage par titrage suivi au pH-mètre — « les dosages par titrage sont étudiés exclusivement en travaux pratiques ». Voie précipitation : analyse gravimétrique, où l’ion cherché est précipité par un réactif en excès, puis filtré, lavé, séché et pesé ; on contrôle que la précipitation est quantitative en évaluant la concentration résiduelle Ks/[reˊactif en exceˋs]K_s/[\text{réactif en excès}].
  • Illustrer un procédé de retraitement, de recyclage, de séparation en solution aqueuse. Gestes types : précipitation sélective (ajout lent de l’ion précipitant, filtration du cation de plus petit KsK_s), déphosphatation d’un effluent par la chaux, récupération de l’argent d’un bain de rinçage en AgCl\ce{AgCl} ; le rendement se chiffre par la concentration résiduelle déduite de KsK_s.

À savoir refaire : KAKB=KeK_AK_B=K_e par combinaison des deux équations ; log⁡([AX−]/[AH])=pH−pKA\log\bigl([\ce{A^-}]/[\ce{AH}]\bigr)=\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_{A} et le diagramme de prédominance ; f(AH)f(\ce{AH}), f(AX−)f(\ce{A^-}) et leur intersection à 50 %50\,\% ; K∘=10pKA2−pKA1K^\circ=10^{\mathrm{p}K_{A2}-\mathrm{p}K_{A1}} ; Ks=ppqqsp+qK_s=p^pq^qs^{p+q} ; s(s+c)=Kss(s+c)=K_s et s≃Ks/cs\simeq K_s/c ; log⁡s=log⁡(Ks/Ke n)−n pH\log s=\log\bigl(K_s/K_e^{\,n}\bigr)-n\,\mathrm{pH} ; la constante de dissolution d’un sel d’acide faible en milieu acide.

11Savoir-faire, formulaire et pièges

Savoir-faire
  • Identifier un couple acide-base, une espèce amphotère, le caractère acido-basique d’une réaction ; écrire KAK_A, KeK_e, KsK_s sans oublier c∘c^\circ, passer de KK à pK\mathrm{p}K.
  • Tracer et lire un diagramme de prédominance (monoacide, polyacide), en déduire les espèces majoritaires et les espèces incompatibles ; lire un diagramme de distribution fourni (attribuer les courbes, y lire les pKA\mathrm{p}K_{A}, en tirer des pourcentages).
  • Écrire l’équation d’une transformation en tenant compte du milieu et des observations, déterminer sa constante par combinaison linéaire ; identifier la réaction prépondérante, déterminer l’état final par tableau d’avancement, calculer τf\tau_{\text{f}}, distinguer équilibre et transformation totale, puis valider par le diagramme.
  • Prévoir l’état de saturation d’une solution (QrQ_r contre KsK_s) ; déterminer un domaine d’existence, une solubilité, une concentration résiduelle ; quantifier l’effet d’ion commun et l’effet du pH, exploiter une courbe log⁡s\log s en fonction du pH ou de log⁡c\log c.
FormulaireLes relations à connaître par cœur
  • KA=[AX−][HX3OX+][AH] c∘K_A=\dfrac{[\ce{A^-}][\ce{H3O+}]}{[\ce{AH}]\,c^\circ} ; pKA=−log⁡KA\mathrm{p}K_{A}=-\log K_A ; KAKB=KeK_AK_B=K_e ; pKA+pKB=14,0\mathrm{p}K_{A}+\mathrm{p}K_B=14{,}0 ; Ke=[HX3OX+][OHX−](c∘)2=1,0×10−14K_e=\dfrac{[\ce{H3O+}][\ce{OH^-}]}{(c^\circ)^2}={1{,}0\times10^{-14}} ; pH+pOH=14,0\mathrm{pH}+\mathrm{pOH}=14{,}0 ; [HX3OX+]=c∘10−pH[\ce{H3O+}]=c^\circ 10^{-\mathrm{pH}}.
  • [AX−][AH]=10 pH−pKA\dfrac{[\ce{A^-}]}{[\ce{AH}]}=10^{\,\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_{A}} (frontière de prédominance pH=pKA\mathrm{pH}=\mathrm{p}K_{A}) ; f(AH)=11+10 pH−pKAf(\ce{AH})=\dfrac{1}{1+10^{\,\mathrm{pH}-\mathrm{p}K_{A}}} ; f(AX−)=11+10 pKA−pHf(\ce{A^-})=\dfrac{1}{1+10^{\,\mathrm{p}K_{A}-\mathrm{pH}}}.
  • Réaction acide-base : K∘=10 pKA2−pKA1K^\circ=10^{\,\mathrm{p}K_{A2}-\mathrm{p}K_{A1}} ; quasi totale si K∘>104K^\circ>10^4.
  • KsK_s : MXpXXq(s)=p MXq++q XXp−\ce{M_pX_q(s) = $p$M^{q+} + $q$X^{p-}}, Ks=([MXq+]/c∘)p([XXp−]/c∘)q=ppqqsp+qK_s=\bigl([\ce{M^{q+}}]/c^\circ\bigr)^p\bigl([\ce{X^{p-}}]/c^\circ\bigr)^q=p^pq^q s^{p+q} dans l’eau pure.
  • Saturation : Qr<KsQ_r<K_s pas de solide ; Qr=KsQ_r=K_s saturé ; Qr>KsQ_r>K_s précipitation.
  • Valeurs utiles : pKA\mathrm{p}K_{A} 4,84{,}8 (CHX3COOH\ce{CH3COOH}), 9,29{,}2 (NHX4X+\ce{NH4+}), 10,310{,}3 (HCOX3X−\ce{HCO3^-}), 1,91{,}9 (HSOX4X−\ce{HSO4^-}), 2,1/7,2/12,32{,}1/7{,}2/12{,}3 (HX3POX4\ce{H3PO4}) ; pKs\mathrm{p}K_{s} 9,759{,}75 (AgCl\ce{AgCl}), 10,010{,}0 (BaSOX4\ce{BaSO4}), 3838 (Fe(OH)X3\ce{Fe(OH)3}).
Pièges
  • Chercher une formule de pH : il n’en existe aucune d’exigible. Le pH est donné, mesuré, ou déduit de la composition finale — jamais récité.
  • Écrire KAK_A avec HX+\ce{H+} au lieu de HX3OX+\ce{H3O+}, ou sans diviser par c∘c^\circ : la constante devient dimensionnée, donc fausse — un KsK_s « en mol2⋅L−2{\mathrm{mol}^{2}{\cdot}\mathrm{L}^{-2}} » n’existe pas. Inverser acide et base dans KAK_A (la base est au numérateur, avec HX3OX+\ce{H3O+}).
  • Confondre « acide fort » et « acide concentré » ; croire qu’une dilution modifie pKA\mathrm{p}K_{A} ou KsK_s (seule TT les modifie). Placer l’acide du mauvais côté du diagramme : l’acide prédomine aux pH faibles.
  • Utiliser un diagramme de prédominance pour un solide : un solide n’est pas « majoritaire », il existe ou non — c’est un diagramme d’existence, qui dépend de la concentration. Écrire Qr=KsQ_r=K_s sans avoir vérifié que le solide est encore présent (rupture d’équilibre).
  • Comparer directement Ks(AgCl)K_s(\ce{AgCl}) et Ks(CaFX2)K_s(\ce{CaF2}) pour classer deux solubilités : les stœchiométries diffèrent. Oublier l’effet d’ion commun en présence d’un sel soluble partageant un ion avec le précipité.
  • Faire d’un titrage un exercice d’écrit (le programme le réserve aux TP) ; invoquer une solution tampon ou une complexation, absentes du programme de MPSI ; prétendre déterminer l’état final d’un système régi par plusieurs réactions simultanées, alors que le programme s’en tient à une réaction unique — d’où la méthode de la réaction prépondérante.

Exercices, contrôles et sujets

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1

Exercices de base

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Les bases : couples, KAK_A, diagrammes de prédominance et de distribution, KsK_s, solubilité

12 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

  1. Couples acide-base, espèces amphotèresDifficulté 1 sur 3
  2. Constante d’acidité et produit ionique de l’eauDifficulté 1 sur 3
  3. Les acides et les bases usuelsDifficulté 1 sur 3
  4. Diagramme de prédominance d’un monoacideDifficulté 1 sur 3
  5. Diagramme de prédominance d’un polyacideDifficulté 2 sur 3
  6. Lire un diagramme de distributionDifficulté 2 sur 3
  7. Prévoir le sens d’une réaction acide-baseDifficulté 2 sur 3
  8. État final d’une solution d’acide faibleDifficulté 2 sur 3
  9. Produit de solubilité et solubilitéDifficulté 1 sur 3
  10. Effet d’ion communDifficulté 2 sur 3
  11. Prévoir l’état de saturation d’une solutionDifficulté 2 sur 3
  12. Domaine d’existence d’un hydroxydeDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

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Réaction prépondérante, états finals, analyses quantitatives, séparations et courbes de solubilité

9 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 3 hcalculatrice autorisée

  1. Le diagramme de distribution de l’acide phosphoriqueDifficulté 2 sur 3
  2. Action de la soude sur l’acide phosphoriqueDifficulté 2 sur 3
  3. Mélange d’un acide faible et d’une base faibleDifficulté 2 sur 3
  4. Analyse quantitative des chlorures d’une eau (gravimétrie)Difficulté 2 sur 3
  5. Séparer deux cations par précipitation sélectiveDifficulté 2 sur 3
  6. Extraire le magnésium de l’eau de merDifficulté 2 sur 3
  7. Exploiter une courbe de solubilitéDifficulté 2 sur 3
  8. Le sulfate de baryum en milieu acideDifficulté 2 sur 3
  9. Retraiter un effluent par précipitation sélectiveDifficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Constante d’acidité, diagramme de prédominance, état final, produit de solubilité

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Une solution d’acide acétique, et ce qu’en fait la soude7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Les sulfates d’une eau minérale7 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Diagramme de distribution, équilibres non totaux, solubilité en fonction du pH

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Carbonate et hydrogénocarbonate7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Défluoruration d’une eau de forage7 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

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Formes générales, asymptotes, critères de séparation, et pourquoi aucune formule de pH n’est exigible

8 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 4 hcalculatrice autorisée

  1. Les fractions de distribution d’un polyacideDifficulté 3 sur 3
  2. Solubilité d’un sel d’acide faible en fonction du pHDifficulté 3 sur 3
  3. Effet d’ion commun : l’étude complèteDifficulté 3 sur 3
  4. Précipitation sélective : un critère généralDifficulté 3 sur 3
  5. Le pH exact d’un acide faible (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  6. L’ampholyte et sa « formule » (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  7. Tracer un diagramme de distribution (complément Python)Difficulté 3 sur 3
  8. Problème ouvert : séparer trois cationsDifficulté 3 sur 3
6

DS type concours

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Traiter les effluents d’un atelier de traitement de surface : déphosphatation et récupération de l’argent

Durée : 3 hcalculatrice autorisée3 parties21 questionsbarème indicatif sur 20

7

Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral

1 question de cours4 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 3 sur 3environ 20 min{20\,\mathrm{min}} par exercice

  1. Question de coursDifficulté 1 sur 3
  2. Une solution d’ammoniacDifficulté 1 sur 3
  3. Le chlorure d’argent dans l’eau de merDifficulté 2 sur 3
  4. Trois ajouts de soudeDifficulté 2 sur 3
  5. Un mélange à trois constituantsDifficulté 3 sur 3

Prépa · Physique-chimie : les 26 chapitres

  1. Mesures et incertitudes
  2. Optique géométrique
  3. Circuits dans l’ARQS
  4. Circuits du premier ordre
  5. Oscillateurs libres et forcés
  6. Filtrage linéaire
  7. Propagation et interférences
  8. Cinématique du point
  9. Lois de Newton
  10. Énergétique du point
  11. Particules chargées
  12. Transformations de la matière
  13. Cinétique chimique
  14. Structure des entités chimiques
  15. Moment cinétique et forces centrales
  16. Mouvement d’un solide
  17. Système thermodynamique
  18. Premier principe
  19. Deuxième principe
  20. Machines thermiques
  21. Champ magnétique et forces de Laplace
  22. Induction
  23. Physique quantique
  24. Solides cristallins
  25. Acide-base et précipitation
  26. Oxydo-réduction et diagrammes E-pH