Caractérisation du couple acide éthanoïque/ion éthanoate

L'acide éthanoïque (ou acide acétique) de formule semi-développée \(\mathrm{CH_3-CO_2H}\) fait partie de la famille des acides carboxyliques. Pur et à température ambiante, c'est un liquide incolore possédant une odeur caractéristique piquante.

La synthèse mondiale d'acide éthanoïque dépasse les 6,5 millions de tonnes par an, du fait de ses nombreuses applications. Dans l'industrie alimentaire, par exemple, il est le principal soluté du vinaigre, utilisé comme conservateur, correcteur d'acidité et pour l'assaisonnement. Dans l'industrie chimique, il sert de matière première pour la production de nombreux composés et matériaux tels que l'anhydride acétique, l'acétate de cellulose et divers esters.

Objectif : montrer que la mesure du pH d'une d'une solution de concentration en acide (ou en base) connue permet :

• d'en déduire le caractère fort ou faible de l’acide (ou de la base) ;
• d'estimer la valeur de la constante d’acidité d’un couple acide-base.

Conseils pour les ECE

• La mesure du pH à l'aide d'un pH-mètre et d'une sonde pH est une technique très classique dans les sujets d'ECE. Il faut être capable de la réaliser en autonomie à l'aide de la fiche technique mise à votre disposition.
• Les solutions d'acide éthanoïque ont déjà été préparées soit par dissolution, soit par dilution. On rappelle qu'il faut savoir établir un protocole et le réaliser si jamais cela vous est demandé dans le sujet.
  

Matériel mis à votre disposition

• Quatre béchers de 100 mL.
  
• Une solution aqueuse commerciale d'acide éthanoïque notée `"S"_1` à une concentration en soluté apporté `C_\text{acide,1}=1,0\ "mol·L"^-1`.
• Trois solutions aqueuses notées `"S"_2`, `"S"_3` et `"S"_4` préparées par dilution de la solution `"S"_1` à une concentration en soluté apporté respective `C_\text{acide,2}=1,0\times10^{-1}\ "mol·L"^-1`, `C_\text{acide,3}=5,0\times10^{-2}\ "mol·L"^-1` et `C_\text{acide,4}=1,0\times10^{-2}\ "mol·L"^-1`.
• Un thermomètre.
• Une pissette d'eau distillée.
• Un pH-mètre, une sonde pH et une fiche technique.
• Deux solutions tampons.

Lors de la préparation des quatre solutions aqueuses d'acide éthanoïque de concentration en soluté apporté connue, l'acide éthanoïque réagit avec l'eau selon une transformation chimique modélisée par la réaction acide-base d'équation : \(\mathrm{CH_3CO_2H(aq)+H_2O(\ell)\rightleftarrows CH_3CO_2^-(aq)+H_3O^+(aq)}\).

Les couples mis en jeu sont \(\mathrm{CH_3CO_2H/CH_3CO_2^-}\)et \(\mathrm{H_3O^+/H_2O}\). 

1. Mesurer le \(\mathrm{pH}\) des quatre solutions. Rentrer les valeurs obtenues dans un tableur sur Regressi avec les valeurs associées des concentrations en acide éthanoïque apporté (notées Cacide).

Résultats bruts de la question 1 sur un fichier Regressi (la température lors des mesures est de 23 °C)

On rappelle que la valeur du taux d'avancement final de la transformation chimique entre l'acide éthanoïque et l'eau peut être estimée par la relation : \(\mathrm{\tau_\mathrm{f}=\frac{\text{c°}}{{C_\mathrm{i}}}\times10^{-pH}}\) avec \(C_\text{i}\) la concentration en acide apportée.

2. Dire, en justifiant la réponse, si l'acide éthanoïque est un acide faible ou un acide fort.

Pour estimer la valeur de la constante d’acidité d’un couple acide-base, on peut utiliser deux
méthodes.

Méthode 1

On note pour la suite un couple acide-base \(\mathrm{AH/A^-}\), avec \(\mathrm{AH}\) l'acide et \(\mathrm{A^-}\) sa base conjuguée. La constante d'acidité et le potentiel de cette constante sont notés \(K_\mathrm{A}\) et \(\mathrm{pK_A}\).

À une température donnée, le \(\mathrm{pH}\) à l'équilibre d'une solution contenant l'acide d'un couple ainsi que sa base conjuguée est donné par la  relation suivante : \(\mathrm{pH=pK_A+log(\frac{[A^-]_{éq}}{[AH]_{éq}})}\) avec :

• \(\mathrm{pH}\) : le \(\mathrm{pH}\) de la solution, mesuré à l'équilibre (sans unité) ;
  
• \(\mathrm{pK_A}\) : le potentiel de la constante d'acidité du couple mis en jeu (sans unité) ;
  
• \(\mathrm{[A^-]_{éq}}\) : la concentration à l'équilibre de la base du couple, en \(\mathrm{mol\cdot L^{-1}}\) ;
  
•  \(\mathrm{[AH]_{éq}}\) : la concentration de l'acide du couple, en \(\mathrm{mol\cdot L^{-1}}\).

Pour les quatre solutions

• 3. Sur le tableur de la question 1, ajouter une colonne calculant la concentration en ions oxonium à l'équilibre, notée CH3Of.
  
• 4. Ajouter une colonne donnant la concentration en ion éthanoate à l'équilibre, notée Cbasef.
  
• 5. Ajouter une colonne donnant la concentration en acide éthanoïque à l'équilibre, notée Cacidef.
  
• 6. Ajouter une colonne calculant le rapport, noté R, de la concentration en ion éthanoate sur la concentration en acide éthanoïque à l'équilibre.
  
• 7. Ajouter une colonne calculant le logarithme décimal de R, noté logR.
  
• 8. Tracer la courbe pH = f(logR) puis la modéliser.
  
• 9. En déduire une estimation de la valeur de la constante d'acidité du couple acide-base  \(\mathrm{CH_3CO_2H/CH_3CO_2^-}\) à la température des mesures.
  

Méthode 2

On rappelle que le \(\mathrm{pH}\) d'une solution tampon constituée d'un mélange équimolaire de l'acide et de la base du couple est égal au \(\mathrm{pK_A}\) du couple acide-base mis en jeu.

Matériel supplémentaire mis à votre disposition

• Une solution d'éthanoate de sodium de concentration `C_\text{base,2}=1,0\times10^{-1}\ "mol·L"^-1`.
• Deux pipettes jaugées de 20 mL et une propipette.
• Un barreau aimanté et un agitateur magnétique.
• Un bécher de 100 mL.
  

10. Après avoir préparé une solution tampon équimolaire en acide éthanoïque et en ion éthanoate, estimer la valeur de la constante d'acidité du couple acide-base \(\mathrm{CH_3CO_2H/CH_3CO_2^-}\) à la température des mesures.