Kleksa

Bac 2027 · spécialité physique-chimie

Acides, bases et pH : couples et calculs

Vinaigre, jus de citron, lessive de cendre : toutes ces solutions agissent par un même geste chimique, l’échange d’un ion hydrogène, et le pH le résume en un seul nombre. On part ici des couples acide/base pour écrire l’équation d’une réaction acide-base, puis on passe du pH à la concentration en ions oxonium, et retour, comme le veut le programme de terminale ; de quoi réviser l’écrit du bac.

Au bac de physique-chimie : dans 20 des 35 sujets de 2024 à 2026 (questions : 38).

L’essentiel

ce qu’il faut savoir
  • Dans la description de Brönsted, un acide libère un ion hydrogène HX+\ce{H+} et une base le fixe.
  • Retiens l’acide AH\ce{AH} et la base AX−\ce{A-} qu’il laisse derrière lui : ils constituent le couple AH/AX−\ce{AH}/\ce{A-}. L’équation AH⇌AX−+HX+\ce{AH <=> A- + H+} en est la demi-équation, et AX−\ce{A-} s’appelle la base conjuguée de AH\ce{AH}.
  • Quand un acide rencontre une base, l’ion hydrogène passe de l’un à l’autre : c’est la réaction acide-base, qui met en jeu deux couples.
  • Le pH exprime l’acidité d’une solution aqueuse : pH=−log⁡10([HX3OX+]/c∘){\mathrm{pH} = -\log_{10} \left( [\ce{H3O+}] / c^\circ \right)}, où [HX3OX+][\ce{H3O+}] désigne la concentration en quantité de matière des ions oxonium et c∘=1 mol ⋅ L−1c^\circ = \pu{1 mol.L-1} la concentration standard.
  • Pour revenir du pH à la concentration, on utilise [HX3OX+]=10−pH×c∘{[\ce{H3O+}] = 10^{-\mathrm{pH}} \times c^\circ}.

L’épreuve écrite de spécialité physique-chimie dure 210 minutes et est notée sur 20 : trois exercices indépendants, et à partir de la session 2027 deux points pour la maîtrise de la langue. Elle compte pour 80 % de la note de la spécialité ; l’évaluation des compétences expérimentales, une heure au laboratoire, pour 20 %. Le sujet dit si la calculatrice est autorisée.

Reconnaître un couple acide/base

Pour trouver le couple d’une espèce, ajoute-lui ou retire-lui un ion hydrogène : la forme qui en compte un de plus est l’acide, l’autre est la base. La charge se conserve dans la demi-équation : NHX4X+\ce{NH4+} perd HX+\ce{H+} et laisse NHX3\ce{NH3}, de charge 0=+1−10 = +1 - 1.

Le programme nomme quatre familles de couples : l’eau, l’acide carbonique, les acides carboxyliques et les amines. Le tableau les réunit avec un exemple pour les acides carboxyliques et pour les amines. Remarque que l’ion hydrogénocarbonate HCOX3X−\ce{HCO3-} figure dans deux couples du tableau : tantôt base, tantôt acide.

En formule semi-développée, un acide carboxylique porte le groupe −COOH\ce{-COOH} et l’ion carboxylate le groupe −COO−\ce{-COO-} ; une amine comme la méthylamine CHX3−NHX2\ce{CH3-NH2} devient, en fixant un ion hydrogène, l’ion ammonium CHX3−NHX3X+\ce{CH3-NH3+}. Sur la représentation de Lewis, l’azote d’une amine garde une paire d’électrons libre, qui accueille l’ion hydrogène.

Couple acide/baseAcideBase
HX3OX+/HX2O\ce{H3O+}/\ce{H2O}ion oxoniumeau
HX2O/HOX−\ce{H2O}/\ce{HO-}eauion hydroxyde
HX2COX3/HCOX3X−\ce{H2CO3}/\ce{HCO3-}acide carboniqueion hydrogénocarbonate
HCOX3X−/COX3X2−\ce{HCO3-}/\ce{CO3^2-}ion hydrogénocarbonateion carbonate
CHX3COOH/CHX3COOX−\ce{CH3COOH}/\ce{CH3COO-}acide éthanoïqueion éthanoate
NHX4X+/NHX3\ce{NH4+}/\ce{NH3}ion ammoniumammoniac

Écrire une réaction acide-base, repérer l’espèce amphotère

Pour écrire une réaction acide-base, relève d’abord les deux couples en présence, puis l’acide qui réagit et la base qui réagit : l’ion hydrogène quitte le premier pour s’installer sur la seconde. Compte ensuite les atomes et les charges de chaque côté. L’acide éthanoïque et l’ammoniac donnent ainsi CHX3COOH+NHX3→CHX3COOX−+NHX4X+\ce{CH3COOH + NH3 -> CH3COO- + NH4+}.

Certaines espèces jouent les deux rôles selon leur partenaire : on les dit amphotères. L’eau en est l’exemple, base dans le couple HX3OX+/HX2O\ce{H3O+}/\ce{H2O} et acide dans le couple HX2O/HOX−\ce{H2O}/\ce{HO-} ; l’ion hydrogénocarbonate aussi, on l’a vu dans le tableau. Pour la repérer, cherche dans les couples fournis l’espèce qui figure dans deux d’entre eux, d’un côté puis de l’autre de la barre oblique.

Face à l’eau, un acide AH\ce{AH} donne AH+HX2O→AX−+HX3OX+\ce{AH + H2O -> A- + H3O+}, l’eau tenant le rôle de la base ; une base B\ce{B} donne B+HX2O→BHX++HOX−\ce{B + H2O -> BH+ + HO-}, l’eau tenant celui de l’acide.

Le pH et les ions oxonium

Le pH n’a pas d’unité : le logarithme décimal condense sur une échelle courte des concentrations qui couvrent bien des puissances de dix. À 25 °C, l’eau pure contient [HX3OX+]=[HOX−]=1,0⋅10−7 mol ⋅ L−1[\ce{H3O+}] = [\ce{HO-}] = \pu{1,0e-7 mol.L-1} : son pH vaut 7. Le produit ionique de l’eau Ke=[HX3OX+][HOX−]/c∘2=1,0⋅10−14K_{\mathrm{e}} = [\ce{H3O+}][\ce{HO-}]/{c^\circ}^2 = \pu{1,0e-14} lie les deux concentrations dans toute solution aqueuse à cette température.

Au-dessous de 7, le milieu est acide ; au-dessus, il est basique. Gagner une unité de pH, c’est diviser par dix la quantité d’ions HX3OX+\ce{H3O+} dans chaque litre. Une solution de pH 3 contient ainsi cent fois plus d’ions oxonium qu’une solution de pH 5.

Exemple (valeurs fictives) : une solution d’acide chlorhydrique, acide fort, à 2,5⋅10−3 mol ⋅ L−1\pu{2,5e-3 mol.L-1}. Il réagit totalement avec l’eau, donc [HX3OX+]=C[\ce{H3O+}] = C et le pH vaut −log⁡10(2,5×10−3)=-\log_{10} (2{,}5 \times 10^{-3}) ={}2,60 2{,}60. Une dilution par dix porterait ce pH à 3,60. Pour une base forte à 4,0⋅10−3 mol ⋅ L−1\pu{4,0e-3 mol.L-1} (valeurs fictives), [HOX−]=C[\ce{HO-}] = C, d’où [HX3OX+]=Ke/C=2,5⋅10−12 mol ⋅ L−1[\ce{H3O+}] = K_{\mathrm{e}}/C = \pu{2,5e-12 mol.L-1} et un pH de 11,60.

En sens inverse, un pH de 4,30 donne [HX3OX+]=10−4,30×c∘=5,0⋅10−5 mol ⋅ L−1[\ce{H3O+}] = 10^{-4{,}30} \times c^\circ = \pu{5,0e-5 mol.L-1}. Évite d’employer l’une pour l’autre : on élève dix à une puissance pour la concentration, on prend un logarithme pour le pH.

02468101214pHmilieu acideneutre à 25 °Cmilieu basique110⁻⁷10⁻¹⁴[H₃O⁺] en mol·L⁻¹

Les mots du programme

acide de Brönsted
Espèce qui peut libérer un ion hydrogène HX+\ce{H+} au profit d’une autre.
base de Brönsted
Espèce qui peut fixer un ion hydrogène HX+\ce{H+} libéré par une autre.
couple acide/base
Paire formée d’un acide AH\ce{AH} et de la base AX−\ce{A-} qui en dérive, reliés par l’écriture AH⇌AX−+HX+\ce{AH <=> A- + H+}.
espèce amphotère
Espèce qui peut jouer le rôle de l’acide ou celui de la base, selon le couple, comme l’eau.
pH
Grandeur sans unité, opposée du logarithme décimal du rapport [HX3OX+]/c∘[\ce{H3O+}] / c^\circ.
ion oxonium
Ion HX3OX+\ce{H3O+}, forme que prend l’ion hydrogène en solution aqueuse.

Une question du sujet

source : éduscol
Une vraie question d’un sujet du bac, mot pour mot, avec les lignes de l’exercice dont elle a besoin. Cherche-la avant de lire le corrigé.
Question d’un sujetbac

Bac 2026, Amérique du Nord, jour 2 — exercice 3, question 3

Exercice 3 — La lessive de cendre — 1. Étude de l’ion carbonate

[…] Les cendres de bois contiennent de nombreuses espèces chimiques. Parmi elles, les ions carbonate COX3X2−\ce{CO3^2-} sont en quantité significative et possèdent des propriétés acido-basiques. Données : • couples acide-base : ◦ dihydrogénocarbonate / ion hydrogénocarbonate : HX2COX3(aq)/HCOX3X−(aq)\ce{H2CO3(aq)/HCO3-(aq)} ; ◦ ion hydrogénocarbonate / ion carbonate : HCOX3X−(aq)/COX3X2−(aq)\ce{HCO3-(aq)/CO3^2-(aq)} ; ◦ couples de l’eau : HX3OX+(aq)/HX2O(ℓ)\ce{H3O+(aq)/H2O(\ell)} ; HX2O(ℓ)/HOX−(aq)\ce{H2O(\ell)/HO-(aq)}. […]

Question 3

Q.3. Écrire et ajuster l’équation de la réaction acido-basique se produisant entre COX3X2−\ce{CO3^2-} et HX2O\ce{H2O}.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Amérique du Nord, jour 2, exercice 3, question 3 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol

Question d’un sujetbac

Bac 2026, Antilles-Guyane, jour 2 — exercice 3, question 3

Question 3

Q3. Donner la définition d’un acide au sens de Brönsted.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Antilles-Guyane, jour 2, exercice 3, question 3 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol

Dans les sujets

compté par sujet
Les sujets de 2024 à 2026 qui ont posé une question sur cette notion : dans 20 des 35 sujets, sans compter les sujets de remplacement et de secours.
SujetQuestions
Bac 2026, Amérique du Nord, jour 23.1, 3.3
Bac 2026, Antilles-Guyane, jour 11.1, 1.2
Bac 2026, Antilles-Guyane, jour 23.3
Bac 2026, Asie, jour 11.2, 1.4, 1.9, 1.10, 1.11, 1.12
Bac 2026, Polynésie, jour 11.3
Bac 2026, Polynésie, jour 21.9
Bac 2025, Amérique du Nord, jour 11.6
Bac 2025, Amérique du Nord, jour 21.3
Bac 2025, Amérique du Sud, jour 21.7, 1.8, 1.9
Bac 2025, Asie, jour 12.1
Bac 2025, Asie, jour 21.4
Bac 2025, Métropole, jour 11.15, 1.16
Bac 2025, Nouvelle-Calédonie, jour 11.2
Bac 2025, Nouvelle-Calédonie, jour 21.3, 1.11, 1.12, 1.13
Bac 2025, Polynésie, jour 22.3, 2.7, 2.8
Bac 2024, Centres étrangers, jour 11.4, 1.6
Bac 2024, Centres étrangers, jour 21.3, 1.4
Bac 2024, Métropole, jour 11.4, 1.12
Bac 2024, Métropole, jour 22.6
Bac 2024, Polynésie, jour 11.7

Teste-toi

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Question 1. (0–1)

Le pH d’une solution d’acide nitrique vaut 2,22{,}2. L’acide nitrique est un acide fort : il réagit totalement avec l’eau. Données : • pH=−log⁡([HX3OX+]c∘)\mathrm{pH} = -\log\left(\dfrac{[\ce{H3O+}]}{c^\circ}\right) avec c∘=1 mol ⋅ L−1c^\circ = \pu{1 mol.L-1}. Calculer la concentration CC en acide apporté de la solution, en mmol·L⁻¹. Donner le résultat avec deux chiffres significatifs.
mmol·L⁻¹

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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Question 2. (0–1)

À 25 °C\pu{25 \degree C}, on dispose d’une solution d’hydroxyde de potassium de concentration C=7,7×10−3 mol ⋅ L−1C = \pu{7,7 \times 10^{-3} mol.L-1}. L’hydroxyde de potassium est une base forte : en solution, il est totalement dissocié et apporte des ions hydroxyde HOX−\ce{HO-}. Données : • produit ionique de l’eau à 25 °C\pu{25 \degree C} : Ke=1,0×10−14K_e = \pu{1,0 \times 10^{-14}} ; • pH=−log⁡([HX3OX+]c∘)\mathrm{pH} = -\log\left(\dfrac{[\ce{H3O+}]}{c^\circ}\right) et Ke=[HX3OX+]×[HOX−](c∘)2K_e = \dfrac{[\ce{H3O+}] \times [\ce{HO-}]}{(c^\circ)^2} avec c∘=1 mol ⋅ L−1c^\circ = \pu{1 mol.L-1}. Calculer le pH de la solution. Donner le résultat arrondi au dixième.

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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Question 3. (0–1)

Une solution aqueuse contient les deux espèces du couple acide-base CX6HX5COOH/CX6HX5COOX−\ce{C6H5COOH/C6H5COO-} (l’acide benzoïque et sa base conjuguée). Le pH de la solution vaut 6,36{,}3. Données : • pKA(CX6HX5COOH/CX6HX5COOX−)=4,2\mathrm{p}K_{\mathrm{A}}(\ce{C6H5COOH/C6H5COO-}) = 4{,}2 à 25 °C\pu{25 \degree C} ; • pH=pKA+log⁡([CX6HX5COOX−][CX6HX5COOH])\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_{\mathrm{A}} + \log\left(\dfrac{[\ce{C6H5COO-}]}{[\ce{C6H5COOH}]}\right). Choisir la proposition qui décrit la solution.

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Les erreurs fréquentes

là où on perd des points
  • Passer du pH à la concentration sans la puissance de dix, ou l’inverse sans logarithme. Fais correspondre chaque sens à son outil : logarithme pour obtenir le pH, puissance de dix pour revenir à [HX3OX+][\ce{H3O+}].
  • Oublier de vérifier les charges en écrivant la réaction. Compte-les de chaque côté, comme les atomes : HCOX3X−\ce{HCO3-} et HOX−\ce{HO-} portent chacun une charge −1-1.
  • Croire qu’un pH de 3 est « un peu » plus acide qu’un pH de 4. Une unité de pH sépare deux concentrations dans un rapport dix.
  • Inverser l’acide et la base d’un couple. L’acide est la forme qui porte l’ion hydrogène supplémentaire : dans NHX4X+/NHX3\ce{NH4+}/\ce{NH3}, c’est NHX4X+\ce{NH4+}.
  • Oublier que l’eau peut jouer les deux rôles. Choisis le couple de l’eau d’après l’autre réactif : base face à un acide, acide face à une base.

À retenir

  • Acide : libère HX+\ce{H+} ; base : le fixe ; couple AH/AX−\ce{AH}/\ce{A-}.
  • Réaction acide-base : HX+\ce{H+} passe de l’acide d’un couple à la base d’un autre.
  • Espèce amphotère : l’eau, l’ion hydrogénocarbonate.
  • pH=−log⁡10([HX3OX+]/c∘){\mathrm{pH} = -\log_{10} ( [\ce{H3O+}]/c^\circ )} ; retour par 10−pH10^{-\mathrm{pH}}.
  • À 25 °C : Ke=1,0⋅10−14K_{\mathrm{e}} = \pu{1,0e-14}, eau pure à pH 7.
  • Acide fort de concentration CC : pH=\mathrm{pH} ={}−log⁡C -\log C ; base forte : pH=\mathrm{pH} ={}14+log⁡C 14 + \log C (25 °C).

Questions fréquentes

  1. 1.Quelle différence entre ion hydrogène, proton et ion oxonium ?+
    Réponse :Les deux premiers noms désignent HX+\ce{H+}, le noyau de l’atome d’hydrogène. Dans l’eau, il se lie à une molécule d’eau et forme l’ion oxonium HX3OX+\ce{H3O+} : c’est de lui que le pH rend compte.
  2. 2.Le pH peut-il sortir de l’intervalle de 0 à 14 ?+
    Réponse :Dans l’eau à 25 °C, l’échelle usuelle va de 0, où [HX3OX+][\ce{H3O+}] vaut 1 mol ⋅ L−1\pu{1 mol.L-1}, à 14, où c’est [HOX−][\ce{HO-}] qui vaut 1 mol ⋅ L−1\pu{1 mol.L-1}. Les solutions diluées des sujets restent dans cet intervalle.
  3. 3.Pourquoi le pH d’une base se calcule-t-il avec le produit ionique de l’eau ?+
    Réponse :Une base forte apporte la concentration en HOX−\ce{HO-} alors que le pH donne celle de HX3OX+\ce{H3O+}. Le produit ionique KeK_{\mathrm{e}} relie les deux concentrations dans toute solution aqueuse à 25 °C.
  4. 4.Faut-il écrire H⁺ ou H₃O⁺ dans une équation ?+
    Réponse :Dans une équation avec l’eau, écris l’ion oxonium HX3OX+\ce{H3O+}, qui rappelle le rôle de l’eau. Pour la demi-équation d’un couple, HX+\ce{H+} suffit et reste lisible.
  5. 5.Comment passer d’un pH à une concentration à la calculatrice ?+
    Réponse :Tape la puissance de dix de l’opposé du pH : pour un pH de 4,30, 10−4,3010^{-4{,}30} donne la concentration en mol ⋅ L−1\pu{mol.L-1}, puisque la concentration standard vaut un.

Voir aussi

Toutes les notions de physique-chimie du bac

Notion suivante du programme : Force des acides, Ka et pKa

Sources

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