La concentration en ions hydrogène nous indique à quel point une solution donnée est acide ou basique. Plus d'ions hydrogène? Plus acide. Moins d'ions hydrogène? Plus basique. Assez simple, non? Voyons comment définir et calculer la concentration en ions hydrogène. Tout d'abord, vous verrez comment obtenir des ions hydrogène et des ions hydroxyde dans l'eau.
Auto-ionisation de l'eau
L'eau s'auto-ionise dans une faible mesure :
Il s'agit d'une simplification, car les ions hydrogène libres n'existent pas réellement en solution. Voici à quoi cela ressemble en fait :
Grâce à la liaison hydrogène, l'ion hydrogène s'associe à une molécule d'eau pour créer H3O+, ou alors hydronium. Ainsi, lorsque vous calculez la concentration en ions hydrogène, vous calculez également la concentration en ions hydronium.
Pour l'eau, le produit d'ions d'eau ou alors Kw nous indique la concentration de H+ ou H3O+ et la concentration en OH- ou des ions hydroxyde.
À 25 degrés Celsius, la valeur déterminée expérimentalement de KW est de 1,0 x 10-14 M2.
Voyons comment vous pouvez utiliser vos connaissances en dissociation et KW pour calculer la concentration en ions hydrogène pour les acides ou les bases forts.
Calcul de la concentration en ions hydrogène à partir de la molarité d'un acide fort
Un acide fort augmente la concentration en ions hydrogène par rapport aux ions hydroxyde présents.
Un exemple est HCl :
Le HCl étant un acide fort, il se dissocie complètement dans l'eau. Donc, disons que vous avez une solution de HCl 1,5M. Quelle est la concentration en ions hydrogène ?
Eh bien, c'est assez simple et ne nécessite même pas de maths! Étant donné que l'acide se dissocie complètement, la concentration en ions hydrogène est la même que la molarité de la solution. Dans ce cas, cela signifie la concentration d'ions hydrogène, ou [H+], est de 1,5M.
Une base forte, en revanche, contient plus d'ions hydroxyde que d'ions hydrogène. Disons que vous avez une solution 0,1M de NaOH. Quelle est la concentration de H+ dans ce cas? Maintenant, vous allez avoir besoin d'utiliser vos connaissances de KW.
Vous savez que puisque cette base forte se dissocie complètement, la concentration en hydroxyde, ou OH-, est égale à la molarité de la solution. [OH-] = 0,1 M.
Donc,
En résolvant [H+], vous obtenez :
C'est logique! Comme il s'agit d'une solution basique, il y a beaucoup plus d'ions hydroxyde que d'ions hydrogène.
Calcul de la concentration en ions hydrogène à partir du pH
Maintenant, traiter tout le temps de la notation scientifique pour discuter de la concentration en ions hydrogène est un peu fastidieux. Au lieu de cela, les scientifiques utilisent l'échelle de pH.
Voici la définition du pH :
Le pH est le log négatif de la concentration en hydrogène. La lettre p signifie littéralement log négatif.
Ainsi, étant donné une valeur de pH de 5,5, vous pouvez trouver la concentration en ions hydrogène :
Plonger par un négatif et prendre le log inverse vous donne :
En résolvant, vous obtenez :
La concentration en ions hydrogène d'une solution avec un pH = 5,5 est de 3,2*10-6M. Vous voyez, c'est pourquoi parler d'un pH est beaucoup plus facile que le long nombre entier que vous avez obtenu pour une réponse! Un pH de 5,5 vous renseigne sur l'acidité et vous pouvez calculer la molarité si vous en avez besoin.
Que signifient les valeurs pKa ?
Bien que le calcul de la concentration des ions hydrogène des acides forts soit assez facile car ils dissocient complètement en solution, le calcul de la concentration des ions hydrogène dans les acides faibles est juste un peu plus délicat. Ces acides ne s'ionisent pas complètement dans l'eau. Chaque acide a tendance à perdre un ion hydrogène dans une solution aqueuse. Un acide plus fort est plus susceptible de perdre son ion hydrogène qu'un acide faible.
Les constantes d'équilibre pour les réactions d'ionisation sont appelées constantes de dissociation acide (Kune). Les acides plus forts ont un K plus élevéune tandis que les acides plus faibles ont un K inférieurune. Maintenant, tout comme pour la concentration en ions hydrogène, où vous avez passé au pH au lieu de simplement H, les scientifiques utilisent pKune pour indiquer la force ou la faiblesse d'un acide. Avec une tendance plus élevée à perdre un proton, l'acide est plus fort, et donc le pKune est plus petit.
Conseils
Plus une valeur de pKa est élevée, plus l'acide est faible; plus la valeur pKa est faible, plus l'acide est fort.