A Le produit ionique de l'eau

Comme la molécule d'eau fait partie de deux couples acide/base : H₃O⁺/H₂O et H₂O/OH^–, elle peut réagir sur elle-même selon la réaction : H₂O + H₂O $\rightleftarrows$ H₃O⁺ + OH^–.

Cette réaction est un équilibre appelé équilibre d'autoprotolyse de l'eau. Un équilibre est une réaction non totale qui semble ne plus avancer. On associe à cet équilibre une constante d'équilibre, appelé produit ionique de l'eau.

À 25 °C, le produit ionique de l'eau est : K_e = [H₃O⁺] × [HO^–] = 1,0 × 10^–14.

Le produit ionique est une constante. Ainsi, comme le produit entre les concentrations des ions oxonium et hydroxyde doit être constant, lorsqu'une concentration augmente l'autre diminue : plus la solution devient acide, plus la valeur du pH diminue, plus la concentration en ions oxonium augmente et plus celle des ions hydroxyde faiblit.

B La constante d'acidité K_a

On appelle constante d'acidité dans l'eau du couple HA/A^–, notée K_a, la grandeur sans dimension associée à l'équation AH + H₂O $\rightleftarrows$ A^– + H₃O⁺.

Elle est définie par : ${\text{K}}_{\text{a}}=\frac{{\left[{\text{A}}^{-}\right]}_{\text{f}}\times {\left[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}\right]}_{\text{f}}}{{\left[\text{AH}\right]}_{\text{f}}}$ . Le pK_a d’un couple acide/base est défini par : pKa = − log Ka.

Le pK_a d'un couple HA/A^– est lié au pH de la solution par la relation : pH = pK_a + log $\frac{\left[{\text{A}}^{-}\right]}{\left[\text{AH}\right]}$ .

Les acides forts font partie de couples pour lesquels le pK_a est négatif, les bases fortes font partie de couples pour lesquels le pK_a est supérieur à 14. Quant aux acides et bases faibles, le pK_a du couple associé est compris entre 0 et 14.

C Le diagramme de prédominance

Le diagramme de prédominance d'un couple acide-base AH/A^– est un axe de pH, sur lequel figure le pK_a du couple. Il permet de prévoir quelle est l'espèce chimique d'un couple qui prédomine dans une solution dont on connaît le pH.

Ainsi pour le couple CH₃COOH/CH₃COO^–, dont le pK_a vaut 4,8, le diagramme de prédominance est :

Dans une solution contenant les espèces CH₃COOH et CH₃COO^–, si le pH = 2,5, l'espèce CH₃COOH prédomine ; pour pH = 4,8 = pK_a, il y a autant de CH₃COOH et de CH₃COO^– ; si le pH = 6,0, l'espèce CH₃COO^– prédomine bien que le milieu soit acide.

D Le cas des acides α-aminés

Un acide α-aminé comporte deux fonctions chimiques ayant des propriétés acidobasiques : une fonction amine primaire —NH₂ et un groupe acide carboxylique —COOH.

Les fonctions COOH et NH₂ peuvent s'ioniser de la façon suivante : —COOH = —COO^– + H⁺ et —NH₂ + H⁺ = —NH₃⁺.

Il y a donc deux constantes d'équilibre K_a et deux pK_a.

Le pK_a1, le plus faible correspond à —COOH/—COO^– et le plus fort pK_a2 est associé à —NH₃⁺/—NH₂

En solution, un acide α-aminé peut exister sous plusieurs ionisations en fonction du pH de la solution.

Un acide α-aminé ne peut exister en solution que sous une de ces trois formes ci-dessus. Aussi, la forme NH₂—CRH—COOH avec le radical R est la forme dite solide.

Dans le cas de l’alanine, les valeurs des pK_a sont pK_a1 = 2,3 et pK_a2 = 9,7.

E Les solutions tampon

Une solution tampon est un mélange en même proportion d'un acide et d'une base conjuguée : le pH de la solution est donc égal au pK_a du couple.

Une solution tampon a des propriétés importantes : son pH varie peu lors d'un ajour modéré d'un acide ou d'une base ou lors d'une dilution.