Physique-chimie, Troisième • Exercices corrigés à Montréal

Fiche de révision : ions, pH, acides et bases (Troisième)

Un ion n'est rien d'autre qu'un atome auquel il manque ou auquel il reste des électrons en trop. Tout le chapitre se déduit de cette phrase, y compris le pH, qui ne fait que compter les ions hydrogène présents dans un litre de solution.

Vous trouverez ici les huit erreurs qui reviennent au brevet, avec la phrase exacte à écrire pour chacune, l'arbre des tests d'identification des ions et des gaz, celui de l'évolution du pH selon ce que l'on fait à la solution, et l'attaque du fer par l'acide chlorhydrique traitée ligne par ligne.

Le fil du chapitre

Un ion se lit sur sa CHARGE, c'est-à-dire sur les électrons gagnés ou perdus, et diluer un acide fait MONTER son pH vers 77 sans jamais le franchir.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Troisième

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (4 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1La matière et ses étatsSixième
  2. 2États de la matière, masse et volumeCinquième
  3. 3Mélanges, solutions et dissolutionCinquième
  4. 4Atomes, molécules et transformations chimiquesQuatrième

L'essentiel

De l'atome à l'ion : tout se joue sur les électrons

  • Un ATOME est électriquement neutre : il contient autant de protons dans son noyau que d'électrons autour.
  • Un ION POSITIF, ou cation, a PERDU un ou plusieurs électrons. Il lui reste donc plus de protons que d'électrons.
  • Un ION NÉGATIF, ou anion, a GAGNÉ un ou plusieurs électrons. Il en a alors plus que de protons.
  • Le nombre de PROTONS ne change JAMAIS au cours d'une transformation chimique : c'est lui qui définit l'élément.
  • La charge se lit directement dans la formule : Na+Na^{+}, Cu2+Cu^{2+}, Fe3+Fe^{3+}, ClCl^{-}, HOHO^{-}, SO42SO_{4}^{2-}.
ATOME Naprotonselectronscharge : 0ION Na+protonselectronscharge : +ION Cl-protonselectronscharge : -
Les points pleins comptent les protons, les cercles vides les électrons. Le sodium neutre en a autant des deux; il devient Na+Na^{+} en PERDANT un électron, et le chlore devient ClCl^{-} en en GAGNANT un.

Le moyen mnémotechnique qui tient : l'électron est négatif, donc en perdre rend POSITIF. Perdre du négatif, c'est gagner du positif, exactement comme effacer une dette.

La solution est neutre, donc la formule s'équilibre

  • Toute solution est électriquement NEUTRE : le nombre total de charges positives égale le nombre total de charges négatives.
  • C'est cette neutralité qui donne les indices d'une formule ionique : CaCl2CaCl_{2} parce que 1×(+2)+2×(1)=01\times(+2)+2\times(-1)=0.
  • Dans une solution de chlorure de calcium de concentration cc, on a donc [Cl]=2[Ca2+][Cl^{-}]=2\,[Ca^{2+}] : deux fois plus d'ions chlorure.
  • Les ions ne se voient pas : une solution ionique est un mélange HOMOGÈNE, souvent coloré, jamais un solide en suspension.
  • La conduction électrique d'une solution vient de ses ions : plus il y en a, mieux elle conduit. L'eau distillée conduit très mal.

Écrire la neutralité comme une équation, n+=nn_{+}=n_{-}, transforme presque toutes les questions de formule ionique en une équation à une inconnue.

L'échelle de pH, et ce qui la fait bouger

  • L'échelle va de 00 à 1414 : pH<7pH<7 acide, pH=7pH=7 neutre, pH>7pH>7 basique. Plus le pH est PETIT, plus la solution est acide.
  • Une solution acide est riche en ions hydrogène H+H^{+}; une solution basique est riche en ions hydroxyde HOHO^{-}.
  • DILUER dix fois une solution acide fait MONTER son pH d'une unité, et diluer dix fois une solution basique le fait BAISSER d'une unité.
  • Une dilution ne franchit JAMAIS la valeur 77 : elle en rapproche seulement, car on ne peut pas rendre une solution basique en y ajoutant de l'eau.
  • Le pH se mesure au papier pH, peu précis, ou au pH-mètre, précis au dixième. Il dépend de la température.
02468101214ACIDENEUTREBASIQUEcitroneau puresoude
Le zéro est du côté le plus ACIDE, ce qui est contraire à l'intuition. Le 77 central est la valeur de l'eau pure, et c'est vers lui que toute dilution fait glisser une solution.

Le pH ne mesure pas une quantité totale mais une CONCENTRATION en ions hydrogène. C'est pourquoi ajouter de l'eau le change alors que la quantité d'acide, elle, n'a pas bougé.

Les tests d'identification à connaître par coeur

  • À la SOUDE, c'est-à-dire à l'hydroxyde de sodium : précipité BLEU pour Cu2+Cu^{2+}, VERT pour Fe2+Fe^{2+}, ROUILLE pour Fe3+Fe^{3+}, BLANC pour Zn2+Zn^{2+} et Al3+Al^{3+}.
  • Au NITRATE D'ARGENT : précipité BLANC qui noircit à la lumière pour l'ion chlorure ClCl^{-}.
  • Gaz : le dihydrogène DÉTONE à l'allumette, le dioxyde de carbone TROUBLE l'eau de chaux, le dioxygène RALLUME une bûchette incandescente.
  • Un précipité est un solide qui apparaît dans un liquide : il rend la solution trouble, puis se dépose.
  • Le test à la soude identifie un CATION métallique; le test au nitrate d'argent identifie un ANION. Ils ne sont donc jamais interchangeables.

Un test se rédige en deux temps : d'abord ce que l'on OBSERVE, ensuite ce que l'on en CONCLUT. Annoncer l'ion sans décrire l'observation ne rapporte aucun point.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Croire qu'un ion positif a gagné des électrons

2 points, et toute la description de l'ion

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Na+Na^{+} porte une charge positive, il a donc gagné une charge, c'est-à-dire un électron. »

Ce qu'il faut écrire

« Na+Na^{+} a PERDU un électron. Comme l'électron est négatif, en perdre un laisse un excès de charge positive : il reste 1111 protons pour seulement 1010 électrons. »

Pourquoi : L'intuition associe le signe plus à un gain. En électricité, c'est l'inverse : le porteur de charge mobile est l'électron, et il est négatif. Cette erreur reviendra en Seconde sur toute la classification périodique.

2. Faire varier le nombre de protons

1,5 point, et la question sur la structure de l'ion

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le fer devient Fe3+Fe^{3+}, donc son noyau a perdu trois protons. »

Ce qu'il faut écrire

« Le noyau n'est JAMAIS touché par une transformation chimique : le fer garde ses 2626 protons. Il a simplement perdu trois électrons. »

Pourquoi : Le nombre de protons définit l'élément : en changer transformerait le fer en un autre métal, ce qu'aucune réaction chimique ne sait faire. Seules les transformations nucléaires le peuvent.

3. Oublier la neutralité dans une formule ionique

2 points, et toutes les questions de concentration qui suivent

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le chlorure de calcium s'écrit CaClCaCl, puisqu'il y a du calcium et du chlore. »

Ce qu'il faut écrire

« L'ion calcium porte deux charges positives et l'ion chlorure une seule négative : il en faut donc DEUX pour compenser. La formule est CaCl2CaCl_{2}, car 1×(+2)+2×(1)=01\times(+2)+2\times(-1)=0. »

Pourquoi : Une solution ne peut pas porter de charge globale : ce serait un condensateur, pas un verre d'eau. La neutralité est donc une contrainte, pas une remarque.

4. Lire l'échelle de pH à l'envers

toute la question, souvent 3 points au brevet

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Cette solution a un pH de 1212, elle est donc très acide. »

Ce qu'il faut écrire

« Plus le pH est PETIT, plus la solution est acide. Un pH de 1212 est très BASIQUE; c'est un pH de 22 qui serait très acide. »

Pourquoi : L'échelle est inversée par rapport à l'intuition, parce qu'elle compte des puissances négatives de dix. Le repère à garder : le citron est vers 22, l'eau pure à 77, la soude vers 1313.

5. Faire franchir le neutre à une dilution

2 points, et la conclusion du problème sur les pluies acides

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La solution acide est à pH=6pH=6; si je la dilue dix fois, son pH passe à 77, puis à 88 si je recommence. »

Ce qu'il faut écrire

« Une dilution rapproche le pH de 77 sans jamais le dépasser : de 66 on passe à environ 6,86{,}8, puis 6,96{,}9, mais on n'atteint jamais 88. Ajouter de l'eau ne peut pas rendre une solution basique. »

123452468101214acide diluebase dilueepH = 7
La courbe rouge, un acide de départ à pH=2pH=2, monte d'une unité par dilution puis s'aplatit sous la ligne pH=7pH=7. La courbe pointillée, une base, descend vers la même ligne par le dessus : aucune des deux ne la traverse.

Pourquoi : L'eau pure est à 77 : un mélange d'acide et d'eau reste du côté acide, aussi dilué soit-il. La règle des « une unité par dilution » n'est valable que loin de 77.

6. Confondre acide et concentré

1,5 point, et une confusion qui contamine tout l'exercice

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Cette solution est plus concentrée, elle est donc plus acide, quelle que soit sa nature. »

Ce qu'il faut écrire

« Concentré décrit la QUANTITÉ de soluté par litre, acide décrit la présence d'ions hydrogène. Une solution de sel très concentrée reste neutre, à pH=7pH=7. »

Pourquoi : Les deux mots répondent à deux questions différentes : combien y en a-t-il, et de quoi s'agit-il. C'est seulement pour un même acide que « plus concentré » entraîne « plus acide ».

7. Attribuer un test au mauvais ion

2 points, et la conclusion du problème d'identification

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le précipité blanc obtenu à la soude prouve la présence d'ions chlorure. »

Ce qu'il faut écrire

« La SOUDE identifie les CATIONS métalliques : un précipité blanc y signale Zn2+Zn^{2+} ou Al3+Al^{3+}. L'ion chlorure, lui, se teste au NITRATE D'ARGENT, avec un précipité blanc qui NOIRCIT à la lumière. »

Pourquoi : Les deux tests donnent parfois la même couleur, et c'est exactement pour cela qu'il faut retenir quel réactif teste quoi. Le noircissement à la lumière est le détail qui distingue les deux précipités blancs.

8. Croire que la masse diminue quand le dihydrogène part

2 points, et la question de conservation qui vaut gros au brevet

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La balance passe de 68,0 g68{,}0\ \mathrm{g} à 67,9 g67{,}9\ \mathrm{g} : la masse ne se conserve donc pas pendant l'attaque du fer. »

Ce qu'il faut écrire

« Le récipient est OUVERT et le dihydrogène formé s'est échappé : les 0,1 g0{,}1\ \mathrm{g} manquants sont partis dans l'air. La masse totale s'est bien conservée. »

Pourquoi : C'est exactement la même erreur qu'en Quatrième sur les combustions, sous un habillage différent. La conservation porte sur le système entier, pas sur ce qui reste dans le tube.

Quelle méthode choisir

Quel test faire selon ce que l'on cherche

On regarde d'abord si l'espèce cherchée est un cation, un anion ou un gaz. Le réactif en découle.

  • Si on cherche un CATION métallique dans une solution verser quelques gouttes de SOUDE et observer la couleur du précipité

    Exemple : bleu pour Cu2+Cu^{2+}, vert pour Fe2+Fe^{2+}, rouille pour Fe3+Fe^{3+}, blanc pour Zn2+Zn^{2+}

  • Si on cherche l'ion CHLORURE verser du NITRATE D'ARGENT : un précipité blanc qui noircit à la lumière le confirme

    Le noircissement est ce qui distingue ce précipité blanc de celui de Zn2+Zn^{2+} à la soude.

  • Si un GAZ se dégage et l'on veut l'identifier approcher une allumette enflammée, faire barboter dans l'eau de chaux, ou présenter une bûchette incandescente

    Exemple : détonation pour le dihydrogène, trouble pour le dioxyde de carbone, rallumage pour le dioxygène

  • Si on veut savoir si la solution est acide ou basique papier pH pour une réponse approchée, pH-mètre pour une mesure au dixième

  • Si on veut savoir si la solution contient des ions, sans les identifier tester sa CONDUCTIVITÉ : une solution qui conduit contient des ions

    Ce test ne dit pas lesquels : il ne remplace jamais un test d'identification.

Si aucune branche ne s'applique, c'est souvent que l'énoncé demande d'ÉLIMINER des hypothèses plutôt que de conclure directement. On écrit alors ce que chaque test aurait donné, et on conclut par différence.

Que devient le pH selon l'opération

On regarde ce que l'on ajoute à la solution, et de quel côté de 77 elle se trouve au départ.

  • Si on ajoute de l'EAU à une solution ACIDE le pH MONTE et se rapproche de 77, d'environ une unité par dilution au dixième

    Exemple : pH=3pH=3 dilué dix fois donne pH=4pH=4

  • Si on ajoute de l'EAU à une solution BASIQUE le pH DESCEND et se rapproche de 77, d'environ une unité par dilution au dixième

    Exemple : pH=12pH=12 dilué dix fois donne pH=11pH=11

  • Si la solution est déjà proche de 77 la règle de l'unité ne s'applique plus : le pH s'approche de 77 sans jamais le franchir

    C'est le cas dès que le pH dépasse environ 66 pour un acide, ou descend sous 88 pour une base.

  • Si on ajoute une BASE à une solution acide le pH monte et peut cette fois DÉPASSER 77 : c'est une neutralisation, pas une dilution

  • Si on ajoute le même acide, plus concentré le pH DESCEND : la concentration en ions hydrogène augmente

La distinction qui décide de tout : ajouter de l'EAU ne peut que rapprocher de 77, ajouter une autre ESPÈCE peut faire traverser 77. Un énoncé de brevet joue presque toujours sur cette différence.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Rédiger l'identification d'une solution inconnue

Quand l'utiliser : L'énoncé décrit une ou plusieurs expériences sur une solution et demande de dire ce qu'elle contient.

  1. 1 Nommer le réactif utilisé et ce qu'il permet de tester : « on ajoute quelques gouttes de soude, qui teste les cations métalliques ».
  2. 2 Décrire l'OBSERVATION exactement, couleur comprise : « il se forme un précipité vert ».
  3. 3 Conclure sur l'ion identifié, en le nommant et en écrivant sa formule : « la solution contient donc des ions fer deux, Fe2+Fe^{2+} ».
  4. 4 Si un second test est décrit, refaire les trois étapes pour lui, sans mélanger les deux conclusions.
  5. 5 Terminer par une phrase qui rassemble les ions trouvés et vérifie la neutralité de la solution.

Phrase de conclusion

L'ajout de soude fait apparaître un précipité vert, caractéristique de l'ion fer deux Fe2+Fe^{2+}, et l'ajout de nitrate d'argent un précipité blanc qui noircit à la lumière, caractéristique de l'ion chlorure ClCl^{-} : la solution est donc une solution de chlorure de fer deux, de formule FeCl2FeCl_{2}.

Le piège : Sauter l'observation et écrire directement le nom de l'ion. Le barème sépare toujours l'observation de la conclusion, et la moitié des points est sur l'observation, précisément parce qu'elle est ce que l'on peut vérifier.

Barème : 0,5 point par réactif nommé, 1 point par observation décrite avec sa couleur, 1 point par ion identifié avec sa formule, 0,5 point pour la formule finale du composé.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Le fer attaqué par l'acide chlorhydrique

On verse de l'acide chlorhydrique, de pH égal à 11, sur de la poudre de fer placée dans un tube à essai ouvert. Un gaz se dégage; approchée du tube, une allumette enflammée provoque une détonation. La balance, qui indiquait 68,0 g68{,}0\ \mathrm{g} au départ, indique 67,9 g67{,}9\ \mathrm{g} à la fin. La solution finale, testée à la soude, donne un précipité vert, et son pH est monté à 33.

1. Identifier le gaz dégagé. 2. Écrire l'équation de la réaction sachant que les ions H+H^{+} de l'acide réagissent avec le fer. 3. Vérifier la conservation des atomes et des charges. 4. Expliquer la variation de masse. 5. Quel ion la soude a-t-elle révélé ? 6. Pourquoi le pH a-t-il augmenté ?

68,0 gdihydrogeneacide chlorhydriqueferrecipient ouvert
Les points pleins au fond sont la poudre de fer, les cercles vides les bulles de dihydrogène qui remontent et quittent le tube : c'est par elles que la balance perd 0,1 g0{,}1\ \mathrm{g}.

Étape 1

L'allumette provoque une DÉTONATION : le gaz dégagé est du dihydrogène, H2H_{2}.

Pourquoi

On cite l'observation avant de nommer le gaz. Écrire directement « c'est du dihydrogène » sans mentionner la détonation perd le point d'identification, qui porte justement sur le test.

Étape 2

Fe+2H+Fe2++H2Fe+2\,H^{+}\rightarrow Fe^{2+}+H_{2}.

Pourquoi

Les ions chlorure ne participent pas : ils restent en solution du début à la fin, ce sont des ions spectateurs. Les faire figurer n'est pas faux, mais alourdit l'équation sans rien apporter.

Étape 3

Atomes : 11 fer à gauche et à droite, 22 hydrogènes à gauche et à droite. Charges : 0+2×(+1)=+20+2\times(+1)=+2 à gauche, (+2)+0=+2(+2)+0=+2 à droite. Tout se conserve.

Pourquoi

Avec des ions, il faut vérifier DEUX conservations et non une seule. La conservation des charges est la nouveauté de la Troisième, et c'est elle que le barème regarde en premier.

Étape 4

Le tube est OUVERT et le dihydrogène s'échappe. Les 68,067,9=0,1 g68{,}0-67{,}9=0{,}1\ \mathrm{g} manquants correspondent au gaz parti : la masse totale s'est bien conservée.

Pourquoi

La réponse doit contenir les trois éléments : le récipient ouvert, le gaz qui part, et la conservation malgré tout. Deux sur trois valent la moitié des points.

Étape 5

Le précipité VERT obtenu à la soude est caractéristique de l'ion fer deux, Fe2+Fe^{2+}, ce qui confirme l'équation écrite plus haut.

Pourquoi

On relie explicitement le test à l'équation : c'est ce lien qui transforme une identification isolée en une vérification du raisonnement, et c'est ce que le correcteur attend en fin de problème.

Étape 6

Les ions H+H^{+} ont été CONSOMMÉS par le fer : il en reste moins par litre, donc la solution est moins acide et le pH monte de 11 à 33.

Pourquoi

La question porte sur la cause, pas sur la valeur. Répondre « parce qu'il est devenu moins acide » est circulaire : il faut nommer la consommation des ions hydrogène.

Conclusion rédigée

Le gaz est du dihydrogène, la réaction s'écrit Fe+2H+Fe2++H2Fe+2\,H^{+}\rightarrow Fe^{2+}+H_{2} avec conservation des atomes et des charges, la perte de 0,1 g0{,}1\ \mathrm{g} vient du gaz échappé d'un tube ouvert, le précipité vert confirme la formation d'ions Fe2+Fe^{2+}, et le pH monte de 11 à 33 parce que les ions H+H^{+} ont été consommés.

L'erreur classique sur cet exercice : Écrire Fe+H+Fe2++H2Fe+H^{+}\rightarrow Fe^{2+}+H_{2}. Les atomes d'hydrogène ne sont plus équilibrés et, surtout, les charges valent +1+1 à gauche contre +2+2 à droite : c'est ce second contrôle, propre à la Troisième, qui révèle l'erreur.

À savoir par cœur

  • Ion POSITIF : il a PERDU des électrons. Ion NÉGATIF : il en a GAGNÉ. Les protons ne bougent jamais.
  • Toute solution est neutre : la somme des charges positives égale celle des charges négatives.
  • pH<7pH<7 acide, pH=7pH=7 neutre, pH>7pH>7 basique. Plus le pH est PETIT, plus c'est acide.
  • Diluer dix fois : +1+1 sur le pH d'un acide, 1-1 sur celui d'une base, sans jamais franchir 77.
  • Soude : bleu pour Cu2+Cu^{2+}, vert pour Fe2+Fe^{2+}, rouille pour Fe3+Fe^{3+}, blanc pour Zn2+Zn^{2+}.
  • Nitrate d'argent : précipité blanc qui NOIRCIT à la lumière pour ClCl^{-}.
  • Avec des ions, on vérifie DEUX conservations : les atomes ET les charges.

Questions fréquentes

Un ion positif a-t-il gagné ou perdu des électrons ?

Il en a perdu. L'électron porte une charge négative, donc en perdre un laisse un excès de charge positive. L'ion sodium a onze protons et seulement dix électrons, d'où sa charge plus un. Le nombre de protons, lui, ne change jamais au cours d'une transformation chimique.

Est-ce qu'un pH élevé signifie que la solution est acide ?

Non, c'est l'inverse. Plus le pH est petit, plus la solution est acide. En dessous de sept, la solution est acide; à sept elle est neutre; au-dessus de sept elle est basique. Les repères utiles sont le jus de citron vers deux, l'eau pure à sept et la soude vers treize.

Que devient le pH quand on dilue une solution acide ?

Il augmente et se rapproche de sept. Chaque dilution au dixième fait monter le pH d'environ une unité, tant qu'on reste loin de sept. En revanche, une dilution ne franchit jamais la valeur sept : ajouter de l'eau ne peut pas rendre basique une solution acide.

Comment reconnaître les ions fer deux et fer trois ?

On ajoute quelques gouttes de soude et on regarde la couleur du précipité. Un précipité vert révèle l'ion fer deux, un précipité couleur rouille révèle l'ion fer trois. Le même test donne un précipité bleu pour l'ion cuivre et un précipité blanc pour l'ion zinc ou l'ion aluminium.

Pourquoi la balance perd du poids quand le fer réagit avec un acide ?

Parce que la réaction produit du dihydrogène, un gaz qui s'échappe du tube ouvert. La balance ne pèse plus que ce qui reste dedans. La masse totale s'est pourtant conservée : refaite dans un récipient fermé, l'expérience ne montrerait aucune variation.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Ions, pH, acides et bases

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

  • 15 exercices corrigés
  • 150 points
  • 195 minutes
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Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

Voir aussi

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