Kleksa

Bac 2027 · spécialité physique-chimie

Force des acides, Ka et pKa : diagrammes et tampons

Deux acides en solution à la même concentration n’abaissent pas le pH de la même façon : l’un réagit presque entièrement avec l’eau, l’autre à peine. La constante d’acidité et le pKA chiffrent cet écart ; il en découle, dans le programme de terminale, un diagramme de prédominance, la sélection d’un indicateur coloré et l’idée de solution tampon, que la page enchaîne pour l’écrit du bac.

Au bac de physique-chimie : dans 22 des 35 sujets de 2024 à 2026 (questions : 58).

L’essentiel

ce qu’il faut savoir
  • Un acide AH\ce{AH} réagit avec l’eau selon AH+HX2O⇌AX−+HX3OX+\ce{AH + H2O <=> A- + H3O+}. À l’équilibre, la constante d’acidité du couple vaut KA=[HX3OX+]eˊq[AX−]eˊq[AH]eˊq c∘{K_{\mathrm{A}} = \dfrac{[\ce{H3O+}]_{\text{éq}} [\ce{A-}]_{\text{éq}}}{[\ce{AH}]_{\text{éq}}\, c^\circ}}, sans unité, avec c∘=1 mol ⋅ L−1c^\circ = \pu{1 mol.L-1}.
  • Pour manier des nombres simples, on passe à pKA=−log⁡10KA{\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} = -\log_{10} K_{\mathrm{A}}} : un acide est d’autant plus fort, c’est-à-dire qu’il réagit d’autant plus avec l’eau, que son pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} est faible.
  • La réaction d’un acide fort avec l’eau va presque jusqu’au bout, celle d’un acide faible reste partielle ; la grandeur τ=xf/xmax⁡{\tau = x_{\mathrm{f}} / x_{\max}}, appelée taux d’avancement final, mesure cet écart.
  • En prenant les logarithmes, pH=pKA+log⁡10([AX−]/[AH]){\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_{\mathrm{A}} + \log_{10} \left( [\ce{A-}] / [\ce{AH}] \right)} : comparer le pH au pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} dit quelle forme du couple l’emporte.
  • L’eau réagit aussi sur elle-même, 2 HX2O⇌HX3OX++HOX−\ce{2 H2O <=> H3O+ + HO-} ; la constante de cette réaction est notée KeK_{\mathrm{e}} et vaut 10−1410^{-14} quand la température est de 25 °C.

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.

Constante d’acidité, force et solutions courantes

À chaque constante son équation. KAK_{\mathrm{A}} se rapporte à la réaction de l’acide du couple avec l’eau ; KeK_{\mathrm{e}}, à celle de l’eau avec elle-même. Écris donc l’équation avant le quotient, puis place les produits au numérateur et le réactif au dénominateur. L’eau, solvant, n’y figure pas, et l’on divise chaque terme par c∘c^\circ.

Avec l’acide chlorhydrique, acide fort, il ne reste presque rien d’acide dans l’état final. Un acide faible, lui, garde l’essentiel de ses molécules. Pour un acide apporté à la concentration CC, le rapport τ=[HX3OX+]eˊq/C\tau = [\ce{H3O+}]_{\text{éq}} / C donne la part de molécules qui ont réagi.

Exemple (valeurs fictives) : un acide faible à 2,0⋅10−2 mol ⋅ L−1\pu{2,0e-2 mol.L-1} donne un pH de 3,20. On en tire [HX3OX+]eˊq=10−3,20=6,3⋅10−4 mol ⋅ L−1[\ce{H3O+}]_{\text{éq}} = 10^{-3{,}20} = \pu{6,3e-4 mol.L-1}, donc τ≈3,2 %\tau \approx 3{,}2~\% ; la réaction est très partielle. Comme [AX−]eˊq=[HX3OX+]eˊq[\ce{A-}]_{\text{éq}} = [\ce{H3O+}]_{\text{éq}} et [AH]eˊq=C−[HX3OX+]eˊq[\ce{AH}]_{\text{éq}} = C - [\ce{H3O+}]_{\text{éq}}, on trouve KA≈2,1×10−5K_{\mathrm{A}} \approx 2{,}1 \times 10^{-5}, d’où un pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} voisin de 4,69.

Voici un point de méthode pour finir : lis toujours la colonne « caractère » avant de supposer une réaction totale. Le tableau rassemble les solutions courantes que le programme cite, avec les espèces qui y sont dissoutes et leur caractère, fort ou faible, face à l’eau.

SolutionEspèces dissoutesCaractère
acide chlorhydriqueHX3OX+\ce{H3O+}, ClX−\ce{Cl-}acide fort
acide nitriqueHX3OX+\ce{H3O+}, NOX3X−\ce{NO3-}acide fort
acide éthanoïqueCHX3COOH\ce{CH3COOH}acide faible
soude (hydroxyde de sodium)NaX+\ce{Na+}, HOX−\ce{HO-}base forte
ammoniacNHX3\ce{NH3}base faible

Prédominance, distribution, indicateurs colorés

Retiens la règle de lecture : tant que le pH reste sous le pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}}, AH\ce{AH} est la forme acide qui prédomine ; au-delà, l’emporte AX−\ce{A-}, qui est la base du couple ; si pH et pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} sont égaux, les deux concentrations coïncident. Le diagramme de prédominance place ces domaines sur un axe de pH, séparés par le pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}}. Le diagramme de distribution, lui, trace la proportion de chacune des deux formes selon le pH : les courbes se coupent à 50 % quand pH=\mathrm{pH} ={}pKA \mathrm{p}K_{\mathrm{A}}.

Exemple sur le couple fictif du graphique, de pKA=\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} ={}6,0 6{,}0. À pH=5,0\mathrm{pH} = 5{,}0, le rapport [AX−]/[AH][\ce{A-}]/[\ce{AH}] vaut 10−110^{-1} : la forme acide prédomine, avec environ 91 % du couple. À pH=7,0\mathrm{pH} = 7{,}0, le rapport vaut 10 et la forme basique prend la place.

Un indicateur coloré est lui-même un couple acide/base, dont les formes acide et basique se distinguent par leur teinte : la couleur bascule dans une zone de pH centrée sur son pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}}. Pour un titrage, retiens un indicateur à zone de virage englobée par le saut de pH, de sorte que la couleur bascule à la goutte près.

Les acides α-aminés portent un groupe carboxyle et un groupe amine : ils sont amphotères et leur forme dominante dépend du pH. La lecture de leur diagramme suit la même règle, avec un pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} pour chaque groupe.

246810122550751000pH%pKAAHA⁻

La solution tampon

Une solution tampon est un mélange dont le pH varie peu quand on y ajoute de petites quantités d’acide ou de base, ou quand on la dilue modérément. On la prépare avec un acide faible et sa base conjuguée en quantités voisines ; à quantités égales, le pH vaut le pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} du couple, ce qui guide le choix du couple.

Exemple (valeurs fictives) : 100 mL\pu{100 mL} d’un tampon de pKA=\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} ={}6,0 6{,}0 contenant 10 mmol\pu{10 mmol} de chaque forme. L’ajout de 1,0 mmol\pu{1,0 mmol} d’ion oxonium convertit 1,0 mmol\pu{1,0 mmol} de AX−\ce{A-} en AH\ce{AH} : le pH passe de 6,00 à 6,0+6{,}0 +{}log⁡(9/11)≈5,91 \log (9/11) \approx 5{,}91. La même quantité d’acide, versée dans 100 mL\pu{100 mL} d’eau pure, donnerait un pH de 2,0.

Les mots du programme

constante d’acidité
Constante d’équilibre KAK_{\mathrm{A}} de la réaction d’un acide avec l’eau, écrite avec les concentrations à l’équilibre.
pKA
Opposé du logarithme décimal de la constante d’acidité.
acide fort
Acide dont la réaction avec l’eau est quasi totale.
diagramme de prédominance
Axe de pH partagé en deux par le pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} : en dessous, la forme acide prédomine ; au-dessus, la forme basique.
indicateur coloré
Couple acide/base aux formes de teintes différentes, utilisé pour repérer l’équivalence.
solution tampon
Solution dont le pH varie peu quand on y ajoute un peu d’acide ou de base.

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, Antilles-Guyane, jour 2 — exercice 3, question 4

Exercice 3 — Traitement de l’eau d’une piscine — 2. L’ion hypochlorite au service de la désinfection

[…] • couple acide-base associé à l’ion hypochlorite : HClO(aq)/ClOX−(aq)\ce{HClO(aq)/ClO-(aq)} ; […] • concentration standard : c∘=1 mol ⋅ L−1c^\circ = \pu{1 mol.L-1}. […]

Question 4

Q4. Exprimer la constante d’acidité KAK_{\text{A}} du couple acide hypochloreux / ion hypochlorite en fonction des concentrations en quantité de matière à l’équilibre [HClO]eq[\ce{HClO}]_{\text{eq}}, [ClOX−]eq[\ce{ClO-}]_{\text{eq}}, [HX3OX+]eq[\ce{H3O+}]_{\text{eq}} et de la concentration standard c∘c^\circ.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Antilles-Guyane, jour 2, exercice 3, question 4 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol

Question d’un sujetbac

Bac 2026, Centres étrangers, jour 2 — exercice 2, question 4

Exercice 2 — L’acide azélaïque dans les cosmétiques — 1. Propriétés de l’acide azélaïque

[…] La formule de l’acide azélaïque est : HOOC−(CHX2)X7−COOH\ce{HOOC - (CH2)7 - COOH}. L’acide azélaïque est un diacide faible noté AHX2\ce{AH2}. Ses deux acidités, marquées par la perte d’un premier proton HX+\ce{H+} puis d’un second, peuvent être caractérisées par deux valeurs de pKa\mathrm{p}K_{\mathrm{a}} : pKa1=\mathrm{p}K_{\mathrm{a}1} ={}4,55 4{,}55 et pKa2=\mathrm{p}K_{\mathrm{a}2} ={}5,50 5{,}50.

Question 4

Q.4. Établir le diagramme de prédominance de l’acide azélaïque.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Centres étrangers, jour 2, exercice 2, question 4 (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 22 des 35 sujets, sans compter les sujets de remplacement et de secours.
SujetQuestions
Bac 2026, Amérique du Nord, jour 11.3, 1.4, 1.7, 1.8
Bac 2026, Amérique du Nord, jour 23.4, 3.5
Bac 2026, Antilles-Guyane, jour 11.3, 1.4
Bac 2026, Antilles-Guyane, jour 23.4, 3.5, 3.6
Bac 2026, Asie, jour 11.3, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8
Bac 2026, Centres étrangers, jour 22.4, 2.5
Bac 2026, Polynésie, jour 11.1, 1.4
Bac 2026, Polynésie, jour 21.10, 1.12, 1.13
Bac 2025, Amérique du Nord, jour 21.1, 1.2
Bac 2025, Amérique du Sud, jour 21.10, 1.11
Bac 2025, Asie, jour 12.3, 2.4
Bac 2025, Asie, jour 21.2, 1.3
Bac 2025, Métropole, jour 11.5, 1.6, 1.10
Bac 2025, Nouvelle-Calédonie, jour 11.3, 1.4
Bac 2025, Nouvelle-Calédonie, jour 21.1, 1.2, 1.4, 1.5, 1.14
Bac 2025, Polynésie, jour 22.4, 2.5, 2.6
Bac 2024, Amérique du Nord, jour 23.3, 3.4
Bac 2024, Asie, jour 11.1, 1.2, 1.3
Bac 2024, Centres étrangers, jour 11.5, 1.7, 1.8
Bac 2024, Centres étrangers, jour 21.5, 1.6
Bac 2024, Métropole, jour 11.13, 1.14
Bac 2024, Polynésie, jour 11.8, 1.9

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bac

Question 1. (0–1)

Une solution contient l’acide nitreux HNOX2\ce{HNO2} et sa base conjuguée NOX2X−\ce{NO2-}. À l’équilibre, on mesure pH=3,78\mathrm{pH} = 3{,}78 et on détermine [HNOX2]eq=4,16×10−3 mol ⋅ L−1[\ce{HNO2}]_{\text{eq}} = \pu{4,16 \times 10^{-3} mol.L-1} et [NOX2X−]eq=0,0129 mol ⋅ L−1[\ce{NO2-}]_{\text{eq}} = \pu{0,0129 mol.L-1}. Données : • constante d’acidité : KA=[NOX2X−]eq×[HX3OX+]eq[HNOX2]eq×c∘K_{\mathrm{A}} = \dfrac{[\ce{NO2-}]_{\text{eq}} \times [\ce{H3O+}]_{\text{eq}}}{[\ce{HNO2}]_{\text{eq}} \times c^\circ} et pKA=\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} ={}−log⁡(KA) -\log(K_{\mathrm{A}}) ; • [HX3OX+]=c∘×10−pH[\ce{H3O+}] = c^\circ \times 10^{-\mathrm{pH}} avec c∘=1 mol ⋅ L−1c^\circ = \pu{1 mol.L-1}. Calculer le pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} du couple. Donner le résultat arrondi au centième.

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

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bac

Question 2. (0–1)

Une solution aqueuse contient les deux espèces du couple acide-base HCOOH/HCOOX−\ce{HCOOH/HCOO-} (l’acide méthanoïque et sa base conjuguée). Le pH de la solution vaut 1,81{,}8. Données : • pKA(HCOOH/HCOOX−)=3,8\mathrm{p}K_{\mathrm{A}}(\ce{HCOOH/HCOO-}) = 3{,}8 à 25 °C\pu{25 \degree C} ; • pH=pKA+log⁡([HCOOX−][HCOOH])\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_{\mathrm{A}} + \log\left(\dfrac{[\ce{HCOO-}]}{[\ce{HCOOH}]}\right). Choisir la proposition qui décrit la solution.

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bac

Question 3. (0–1)

On dissout l’acide nitreux HNOX2\ce{HNO2} dans l’eau ; la concentration en acide apporté vaut C=9,13×10−3 mol ⋅ L−1C = \pu{9,13 \times 10^{-3} mol.L-1}. L’équation de la réaction de l’acide avec l’eau est HNOX2(aq)+HX2O(l)⇌NOX2X−(aq)+HX3OX+(aq)\ce{HNO2(aq) + H2O(l) <=> NO2-(aq) + H3O+(aq)}. À l’équilibre, le pH de la solution vaut 2,722{,}72. Données : • [HX3OX+]=c∘×10−pH[\ce{H3O+}] = c^\circ \times 10^{-\mathrm{pH}} avec c∘=1 mol ⋅ L−1c^\circ = \pu{1 mol.L-1}. Calculer le taux d’avancement final τ\tau de la réaction, en pourcentage. Donner le résultat avec deux chiffres significatifs.
%

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

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Les erreurs fréquentes

là où on perd des points
  • Mettre l’eau dans le quotient. Elle est le solvant : KAK_{\mathrm{A}} ne contient que les espèces dissoutes du couple et l’ion oxonium.
  • Inverser numérateur et dénominateur. Les produits de la réaction avec l’eau, AX−\ce{A-} et HX3OX+\ce{H3O+}, sont au numérateur.
  • Lire un diagramme de prédominance à l’envers. À pH inférieur au pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}}, c’est la forme acide qui prédomine, pas la basique.
  • Penser qu’un acide faible est dilué. La force dépend du KAK_{\mathrm{A}}, la dilution de la concentration : un acide faible peut être concentré.
  • Confondre le pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} d’un indicateur avec la valeur du saut de pH. L’essentiel : la zone de virage, centrée sur lui, doit être entièrement contenue dans le saut.

À retenir

  • KA=[HX3OX+]eˊq[AX−]eˊq[AH]eˊq c∘{K_{\mathrm{A}} = \dfrac{[\ce{H3O+}]_{\text{éq}} [\ce{A-}]_{\text{éq}}}{[\ce{AH}]_{\text{éq}}\, c^\circ}} ; pKA=−log⁡10KA{\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} = -\log_{10} K_{\mathrm{A}}}.
  • Un acide est d’autant plus fort que son pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} est faible.
  • Acide fort : τ\tau proche de 1.
  • pH<pKA\mathrm{pH} < \mathrm{p}K_{\mathrm{A}} : AH\ce{AH} prédomine ; pH>pKA\mathrm{pH} > \mathrm{p}K_{\mathrm{A}} : AX−\ce{A-} prédomine.
  • Indicateur : zone de virage comprise dans le saut de pH.
  • Tampon : acide faible et base conjuguée en quantités voisines ; pH proche du pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}}.

Questions fréquentes

  1. 1.Pourquoi l’eau ne figure-t-elle pas dans l’expression de KA ?+
    Réponse :L’eau est à la fois réactif et solvant. Le solvant ne figure pas dans le quotient, qui ne contient que les espèces dissoutes du couple et l’ion oxonium.
  2. 2.À quoi sert le pKA dans la pratique ?+
    Réponse :Il situe le pH où les deux formes du couple sont en concentrations égales. On s’en sert pour lire un diagramme de prédominance, préparer un tampon ou choisir un indicateur coloré.
  3. 3.Peut-on prévoir la forme dominante sans calcul ?+
    Réponse :Oui : compare le pH de la solution au pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} du couple. En dessous, la forme acide domine ; au-dessus, c’est l’autre ; si les deux nombres coïncident, les deux formes sont en quantités égales.
  4. 4.Pourquoi une solution tampon résiste-t-elle à l’ajout d’acide ?+
    Réponse :Elle contient à la fois une base, qui consomme l’acide ajouté, et un acide, qui consomme la base ajoutée. Tant que les deux formes subsistent en quantité notable, le rapport des concentrations, donc le pH, bouge peu.
  5. 5.Un acide fort a-t-il un pKA ?+
    Réponse :La réaction d’un acide fort avec l’eau est quasi totale ; on ne le caractérise pas par un pKA\mathrm{p}K_{\mathrm{A}} mesuré, mais par le fait que sa forme acide disparaît presque entièrement dans l’eau.

Voir aussi

Toutes les notions de physique-chimie du bac

Notion suivante du programme : Loi de Beer-Lambert

Sources

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