pH et quilibre acido-basique

pH et quilibre acido-basique Deuxime sanceUE3B - Cme&Damien - 2011Rappels du cours prcdent

RappelsRappelsEvolution dun systme au cours dune raction chimiqueUne raction chimique volue vers un tat final dquilibreOn parle dquilibre chimiqueCelui-ci dpend : de la nature de la raction des conditions exprimentales quantit de ractifs pression tempratureRappelsNotion de ractif limitant (ou minoritaire)Notion de ractif en excs

Une raction est totale lorsquelle sarrte par disparition dun ractifUne raction est rversible sil existe lquilibre des quantits de ractifsnon ngligeablesConstante dquilibre :

N.B. : La constante dquilibre fait normalement apparatre les activits desespces chimiques. Lactivit en solution est la concentration.RappelsAvancement dune raction

i est ngatif pour les ractifs et positif pour les produitRappelsTaux davancement

Taux de conversion

RappelsUne solution est un mlange homogne despces chimiques constitus par un solvant liquide en grande quantit et un ou plusieurs composs appels soluts, dissous en petites quantits.LA MISE EN SOLUTION Solvatation (liaisons entre solvant et soluts) Ionisation (obtention dions par rupture de liaisons) Dissociation ionique (sparation des ions solvats)Rappels Thorie dArrhniusUn acide est une espce capable de librer des H+ en solution aqueuse

Une base est une espce capable de librer des OH- en solution aqueuse

Notion dlectrolytes faibles et forts.Rappels Thorie de Brnsted-LowryUn acide est une espce chimique susceptible de librer un proton H+

Une base est une espce chimique susceptible de recevoir un proton H+Un acide a ncessairement un hydrogne

Une base dispose dune orbitale non liante capable de donner un doublet dlectrons un proton par coordinance.RappelsOn introduit alors la notion de couple acido-basique (conjugus).

Les diffrents types dacides ou de bases :Acides ou bases FORT(E)S : acide fort : entirement dproton en solution base forte : entirement protone en solutionAcides ou bases FAIBLES : acide faible : partiellement dproton en solution base faible : partiellement protone en solutionRappelsNotion de polyacides ou polybases (= acides et bases polyprotiques)

Notion dampholytes ou amphotresRappels Thorie de LewisAvec la dfinition de Brnsted-Lowry, le formalisme de Lewis impose :

Acide accepteur de doublets dlectrons ; doit possder une lacune lectronique

Base donneur de doublets dlectrons (par son doublet non liant)RappelsAttention ! Le transfert de protons est simultan au sein dune raction acido-basique. Autrement dit, il nexiste pas de proton libre en solution !RappelsAutoprotolyse de leauProduit ionique de leau

Valeur de la constante dquilibre : 10-14EauAcideou baseOn a une modification de laconcentration en H3O+ et en OH- mais le produit ionique deleau est toujours gal 10-14.RappelsNotion de pH

RappelsUn indicateur color est une substance dont la base et lacide ne prsente pas la mme couleur.Un couple acido-basique est dtermin par son pKa.

Forces des acides et des basesSuivant leur capacit cder ou fixer + ou facilement un proton.

Plus un acide est fort et plus sa base conjugue est faible.

Une raction acide-base se fera spontanment entre lacide le plus fort et la base la plus forte.RappelsNotion de constante dacidit et de basicit

Ph et quilibre acido-basique 2me partieCours du 14 fvrier 2011Les SOLUTIONS TAMPONS

Solutions tampons de laboratoireSolution dun acide et de sa base conjugueNous avons vu prcdemment les cas o lon mlangeait un acide ou une base dans leau.

Voyons ce qui se passe lorsque lon mlange simultanment un acide et sa base conjugue.Solution dun acide et de sa base conjugueCAS 1 : Acide fort + base ( faible)Le pH est conditionn par lacide.

Donc :

CAS 2 : Acide faible + base faibleLe pH dpend des deux espces

Solution tamponElle rsiste laddition dune faible quantit dacide fort ou base forte.

La solution tampon est un mlange acide faible/base faible.Pouvoir tamponLe pouvoir tampon est la quantit maximale dacide ou de base que lon peut ajouter avant que le tampon ne perde son aptitude rsister de grandes variations de pH.

Lorganisme humain dispose de systmes tampons.Pouvoir tamponLes systmes tampons de lorganisme sont divers :

Dans le sang :Systme bicarbonate/acide carboniqueSystme phosphate dibasique/monobasiqueProtinates/protinesDans le liquide interstitiel :Systme bicarbonate/acide carboniqueDans les cellules :Systme phosphateProtinates/protinesPouvoir tamponLe pouvoir tampon est optimal pour un pH situ entre pKa 1 et pKa + 1.Pouvoir tampon - DmonstrationParce que vous tes en Cme&Damien

Voici une petite explication

Pourquoi diable les solutions tampons au pouvoir tampon maximal disposent-elle dun pH gal leur pKa ?Pouvoir tampon - DmonstrationPourquoi diable les solutions tampons au pouvoir tampon maximal disposent-elle dun pH gal leur pKa ?Daprs la relation de Henderson-Hasselbalch :

Or, dans une solution tampon :Donc :

Consquence :

Le pouvoir tampon maximalest dautant plus important quela solution est plus concentre !Raction de neutralisationAcideBaseRactionNEUTRALISATIONMlangeRaction de neutralisationAjout dun acide fort (type HCl) une base forte (type NaOH)Les deux espces se dissocient compltement, librant pour lun des ions H3O+ et pour lautre des ions OH-.[+ ions spectateurs]On a alors une autoprotolyse inverse :

Raction de neutralisationAjout dun acide fort (type HCl) une base faible (type NH3)En solution, H3O+ est bien plus acide que NH4+. De plus, NH3 est une base plus forte que leau, la raction va avoir lieu dans le sens :

Raction considre comme totale.Raction de neutralisationAjout dune base forte (NaOH) un acide faible (HCOOH)La soude (= hydroxyde de sodium) va donner en solution des ions OH-. Ceux-ci sont bien plus basique que HCOO- la base conjugue de HCOOH. De mme, HCOOH est un acide plus fort que leau.Raction considre comme totale.Raction de neutralisationAjout dun acide faible (CH3COOH) une base faible (NH3)CH3COOH est un acide plus fort que NH4+ et NH3 est une base plus forte que CH3COO-.On considre la raction presque totale si K > 104Calcul du pH rsultant dune raction acido-basiqueLes trois exemples sont dtaills dans le poly prof.

Les tapes :Ecrire lquation bilan quilibreExprimer la constante dquilibreEtablir le tableau davancement de la ractionDterminer la quantit de ractif formDterminer le pH de la solutionExemple 2 (poly prof)Calcul du pH de la solution rsultant du mlange de 15 mL dacide actique CH3COOH 0,12 mol/L et de 15 mL de soude NaOH 0,10 mol/L.

Analyse du problme :On mlange un acide faible (CH3COOH) avec un pKa de 4,7Et une base forte (NaOH).Exemple 2 (poly prof)Calcul du pH de la solution rsultant du mlange de 15 mL dacide actique CH3COOH 0,12 mol/L et de 15 mL de soude NaOH 0,10 mol/L.

1. Ecrire lquation bilan quilibre

Exemple 2 (poly prof)Calcul du pH de la solution rsultant du mlange de 15 mL dacide actique CH3COOH 0,12 mol/L et de 15 mL de soude NaOH 0,10 mol/L.

2. Exprimer la constante dquilibre

On peut considrer la raction comme totaleExemple 2 (poly prof)Calcul du pH de la solution rsultant du mlange de 15 mL dacide actique CH3COOH 0,12 mol/L et de 15 mL de soude NaOH 0,10 mol/L.

3. Etablir le tableau davancement de la raction

Etat initial (mol)Etat final(mol)0,00150,00180,0015-x= 00,0018-x= 0,0003X = 0,0015EXCES0Exemple 2 (poly prof)Calcul du pH de la solution rsultant du mlange de 15 mL dacide actique CH3COOH 0,12 mol/L et de 15 mL de soude NaOH 0,10 mol/L.

4. Dterminer la quantit de ractif form

Etat initial (mol)Etat final(mol)0,00150,00180,0015-x= 00,0018-x= 0,0003X = 0,0015EXCES0Exemple 2 (poly prof)Calcul du pH de la solution rsultant du mlange de 15 mL dacide actique CH3COOH 0,12 mol/L et de 15 mL de soude NaOH 0,10 mol/L.

4. Dterminer la quantit de ractif form

Etat initial (mol)Etat final(mol)0,00150,00180,0015-x= 00,0018-x= 0,0003X = 0,0015EXCES0N.B. : Il ne reste plus en solution que lacide et sa base conjugue. On a donc une solution tampon.Exemple 2 (poly prof)Calcul du pH de la solution rsultant du mlange de 15 mL dacide actique CH3COOH 0,12 mol/L et de 15 mL de soude NaOH 0,10 mol/L.

5. Dterminer le pH de la solution

Systmes tampons du sang et troubles de lquilibre acido-basique

Diagramme de Davenport Nomogramme acido-basiqueIntroductionOn connat le couple [CO2] / [HCO3-]. Pour faire simple: le dioxyde de carbone est lacide, le bicarbonate est la base.Or on peut crire :Pour notre couple a fait:

Et l cest fini! Ayez-la toujours en tte et vous rsoudrez tous les problmes de cette partie du poly.La partie respiratoire de ce couple se trouve tre CO2Imaginons que la [CO2] baisse, alors le logarithme augmente et le pH aussi.Lquation du dessus valait peu prs 7,4 avant notre problme.Donc l elle en vaut un peu plus, on est en alcalose cause du CO2, donc alcalose respiratoire.

La partie respiratoire de ce couple se trouve tre CO2Pour revenir la normale sans laide de soins mdicaux, il faudrait que notre logarithme redevienne normal! On ne peut pas toucher [CO2], puisque cest le problme, on va donc ajuster la [HCO3-]. Il faut le baisser aussipour compenser.

La partie respiratoire de ce couple se trouve tre CO2Remarque: Il faut un jour peu prs pour que le corps dcide dexcrter du HCO3- par les reins et donc passer dun trouble respiratoire aigu (brutal et que le corps na pas encore eu le temps de prendre en compte pour sadapter) un trouble respiratoire chronique compens (le sang est au pH quasi normal).

Et si la [CO2] augmente?La partie respiratoire de ce couple se trouve tre CO2Log([HCO3-]/[CO2]) baisse pH baisse acidose respiratoire aigu pure

Si on attend 1 jour, les reins scrtent moins de HCO3-, [HCO3-] dans le sang augmente, le logarithme revient la normale (du moins se rapproche) ! acidose respiratoire compense ! Le pH est revenu sa valeur normale !

Et si la [CO2] augmente?Comment le mdecin fait-il pour voir que le patient est en acidose respiratoire compense?La partie respiratoire de ce couple se trouve tre CO2Le pH est normal pourtant. Oui, mais les 2 espces sont augments grandement.

Ils sont dus la respiration! Si le patient respire peu (hypoventilation), fatalement le CO2 va tre moins souvent expir et saccumuler dans le sang [CO2] augmente logarithme baisse pH baisse acidoserespiratoireSi le patient respire beaucoup (hyperventilation) Comment le mdecin fait-il pour voir que le patient est en acidose respiratoire compense?Comment surviennent les problmes de concentration de CO2 ?La partie mtabolique de lquation est HCO3-Si [HCO3- ] augmente ?Alors le log augmente! Le pH augmente. On se retrouve en alcalose mtabolique.

Il y a alors mise en place trs vite dune rponse respiratoire pour compenser la hausse du pH: le CO2 augmente (le patient hypoventile) retour du pH la normal.

La partie mtabolique de lquation est HCO3-Si [HCO3- ] diminue ? log dim pH dim acidose mtabo . On compense rapido : On dim la [CO2] a augmente le log, a augmente le pH et on est heureux.

Remarque: la rponse respiratoire est trs rapide (1 minute) donc parler de troubles mtaboliques aigus ou chroniques est un peu dbile. Ils sont donc gnralement immdiatement compenss.

Le diagramme de Davenport

Ce diagramme reprsente la concentration de bicarbonate en fonction du pH, et den dduire la concentration du CO2 (reprsente par les isobares (les courbes)).On peut ainsi savoir dans quel tat dacidit se trouve le patient, si cest mtabolique ou respiratoire et enfin si cest compens (dans le cadre respiratoire).

La zone 1 est la zone normale: le pH est entre 7,38 et 7,42 et le bicarbonate entre 21 et 26 mM . Les autres zones correspondent des zones pathologiques. Il suffit de lire les coordonnes pour savoir ltat du patient.1Le diagramme de Davenport

54271Imaginons un patient dans la zone 5: quest ce quil a?On lit: - en abscisse le pH est augment: donc alcalose - en ordonne le bicarbonate est abaiss mais peu par rapport la zone 2 ou zone 7: la droite liant les zones 4 et 5 est pseudo plane (droite normale dquilibration). - le CO2 est bien abaiss (sous lisobare 25 mmHg).La formule, pour vrifier :

Log augmente car CO2 baisse beaucoup et le pH est donc bien augment! Le patient est en alcalose respiratoire. Le pH est loin de sa valeur normal et le bicarbonate nest pas franchement bas, signe dun travail dexcrtion des reins et donc dune compensation qui recentrerait le pH (comme en zone 7) ! Le patient est donc en alcalose respiratoire aigu.Le diagramme de Davenport

6354271Imaginons un patient dans la zone 6:On lit: - en abscisse: pH peu prs bon mais du ct acide quand mme: - problmes en ordonne: bicarbonate trop haut - problmes sur les isobares: CO2 trop haut.

(vous pouvez alors penser que le patient a une acidose compense (retour quasi la valeur normale mais sous la normale) mais qua-t-il exactement? Le problme est-il respiratoire ou mtabolique? Il faut tester:

Si CO2augmente: log baisse et pH baisse acidose respiratoireSi HCO3- augmente: log augmente et pH augmente alcalose mtabolique (pas possible en regardant le graphe , cest une zone dacidose), laugmentation HCO3 nest pas la cause du trouble mais est une consquence: un compensation! Donc la zone 6 correspond un acidose respiratoire chronique compense (explique la hausse du bicarbonate). Le diagramme de Davenport

6354271Maintenant imaginons que lon vous donne sans le graphe (ce qui peut arriver, surtout si Cme fait le concours blanc ...):pH: 7,25pCO2: 50 mmHg

: 24 mmol/L Qua-t-il?

Le diagramme de Davenport

6354271

Lhyperventilation est l juste pour compense quelque chose, comme une acidose mtabolique: on est en acidose mtabolique compens (dans la zone 2 du graphe).

Le diagramme de Davenport

6354271Vous naurez peut-tre pas a non plus le jour du concours (quoique cette anne ils sont dans une phase cratrice sans limite) mais il faut savoir se dbrouiller pour savoir ce qua le patient, savoir jongler entre le graphe (que vous naurez pas forcment) et la formule qui vous permet de tout lucider! Sachez bien faire ce quil y a au-dessus, puis retournez voir le poly prof pour finir de sceller les connaissances et comprendre pourquoi il y a comme un trou entre les zones 2 et 4 et les zones 3 et 5: les zones dincertitudes. Le diagramme de Davenport

Correction des exercices

Gnrateur de corrections

pH = 3,758

Lquation bilan est :

H3O+ + HCOO- H2O + HCOOH

K = 1/Ka car on mlange un acide fort et une base faible 1/10-pKa = 1/(2.10-5) = 5.104

A la fin de la raction les deux produits sont consomms car ils taient dans les proportions stoechiomtriques avec n = c*v = 5.10-5 mol. Il y a donc autant de HCOOH form mais dans 100+100 = 200 mL. Do[HCOOH] = 5.10-5 / 0,2 = 2,5.10-4 mol/L

Ka/C0 = 2.10-5 / 2,5.10-4 = 0,08 > 0,01 donc on ne peut pas ngliger la dissociation de HCOOH

pH de 4,21

pH = 12Autoprotolyse bien ngligeablecar pH > 8

Hihhhiiiihiiii ! Trop drleuh koi ! (Non?!)