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L1 Santé - UE3 (S2) Item : « pH et équilibre acido-basique ». Organisation de l’enseignement de l’item : (≈ 7h cours, 3h TD). Equilibre acido-basique …, et déséquilibres ST ouverts et fermés …, organes régulateurs Présentation : Courbes de titration – Effet tampon. - PowerPoint PPT Presentation
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Organisation de l’enseignement de l’item : (≈ 7h cours, 3h TD)
Equilibre acido-basique …, et déséquilibresST ouverts et fermés …, organes régulateurs
Présentation : Courbes de titration – Effet tampon
L1 Santé - UE3 (S2) Item : « pH et équilibre acido-basique »
CNEBMN J. SIMON et P. GANTET Paris, le 8 /2/2010
Neutralisation d’un acide faible (Af) par une base forte (BF) Effet tampon
(mise en évidence, constitution d’un système tampon (ST), mécanisme d’action des ST, pouvoir tampon)
Pré-requis :
– Notion de pH ( [H+] vs [H30+] )
– Notion d’A et de B (F et f, de pKa et pKb)
– Notion d’A et de B conjugués (Brönsted : HA ⇔ H+ + A-) – pH des solutions aqueuses d’A et de B :
Ex : Af : , vs
– pH et/ou comportement des solutions de sels
Pour commencer …Pour commencer …
BF (NaOH) Très concentrée
M connue
Af (HA) M = ?
(M=10-2, pKa = 4)
pHmètre
Paramètre
3.003.103.20
1 Neutralisation d’un mono-Af par une BF (titration) 1.1 Protocole
NaOH + HA ⟶ NaA + H20
x = fraction d’acide neutralisémx = nombre de moles de NaOH ajoutées= nombre de moles de HA déjà neutralisées = nombre de moles de sel NaA déjà forméesm – mx = nombre de moles de HA non encore neutralisées
A tout instant de la neutralisation
1.2 Evolution du pH en cours de neutralisation• Avant début de la neutralisation (x=0) :
• A neutralisation complète (x=1) : solution d’un sel d’Af et de BF≡ Bf : pH > 7
• En cours de neutralisation : coexistent HA restant et NaA formé
HA restant ⇔ A- + H+
pH>7pH>7
33
4 10-2
77
= 3
• Expression de [A-] et [HA] en fonction de m et de x :– Dissociation de l’Af restant négligeable– [A-] ≈ concentration en sel formé = mx– [HA] ≈ concentration en acide restant = m(1-x)
• il vient :
• Deux constatations importantes :
1. A demi-neutralisation (x = 0,5) :
• Méthode de mesure précise et facile du pKa
• Utilisation de plutôt que
pKa=4
• 2ème constatation (essentielle)
– Partie moyenne de la courbe (x = 0,2 à x = 0,8)
• pH varie très peu alors que l’on ajoute une BF : effet tampon,courbe pratiquement horizontale (ou en plateau)
• Milieu réactionnel = mélange d’un Af et d’un sel de cet Af et d’une BF : système tampon (ST) (ou mélange Af HA et base conjuguée A-)
• Quantification de l’effet tampon : Pouvoir tampon max. autour du pKa
- x = 0,5 ou [sel formé] = [acide restant], ou [HA]=[A-]- dérivée de l’équation de HH de valeur maximale.
Zone tampon
• 0 ≤ x ≤ 1 : neutralisation de la 1ère acidité (la plus forte) :
• 1 ≤ x ≤ 2 : neutralisation de la 2ème acidité (la moins forte) :
• Courbe : 2 régions en plateau = 2 ST : – très important dans l’organisme−
• x = 1 : neutralisation complète de la 1ère acidité :
2 Neutralisation d’un di-Af par une BF : Ex : Acide carbonique H2C03
6,4
8,35
10,3
3.1 : Définitions – Effet tampon : amortissement des variations de pH lors de
l’ajout d’un AF ou d’une BF
– ST : mélange en proportions du même ordre de grandeur : • d’un Af et d’un sel de cet Af et d’une BF (Af/Bc)
– Ex. ST – les plus importants pour l’équilibre acido-basique
• d’une Bf et d’un sel de cette Bf et d’un AF (Bf/Ac)– Ex. : ST NH4OH/NH4Cl
– Efficacité maximum autour du pKa (ou du pKb)
3 Effet tampon – systèmes tampons (ST) : Constitution, mécanisme d’action, efficacité
3.2 : Mécanisme d’action d’un ST : exemple pris d’un ST à Af : HA et sel : NaA
3.2.1 - Ajout d’un AF (HCl) :
« Substitution en proportions équimoléculaires d’un Af Af formé in situ à l’AF ajouté » : baisse légère du pH.
ou « Prise en charge des H+ apportés par l’AF par la base conjuguée A- du ST ».
Ajout : HCl ===> Cl- + H+ ST : NaA ===> Na+ + A-
Au total : HCl + NaA ===> (Na++ Cl- ) + HA (⇔ H+ + A-)
Ajout : NaOH ===> OH- + Na+ ST : HA <==> H+ + A-
Au total : NaOH + HA ===> H20 + NaA (⇒ Na++ A- )
3.2.2 - Ajout d’une BF (NaOH) :
« Substitution en proportions équimoléculaires d’un sel de BF et d’Af , ≡ Bf, formé in situ, à la BF ajoutée » : hausse légère du pH.
ou « Prise en charge de la BF ajoutée par l’Af du ST ».
Equation de Henderson :
3.2.3 – Mécanisme d’action d’un ST à Bf (BOH-BCl)
Ajout : NaOH ===> Na+ + OH-
ST : BCl ===> Cl- + B+
Au total : NaOH + BCl ===> NaCl + BOH (⇔ B+ + OH-)
« Substitution … » ou
« Prise en charge … »
4. Efficacité des ST (aspect quantitatif des ST)
4.1. Capacité tampon (dépend du volume du ST, à [A-] et [HA] données)
4.2. Pouvoir tampon β : capacité tampon par unité de volume de ST
pKa
pH
βm2 > m1
m1
4.3. Facteurs d’efficacité des ST:
• pH du milieu à réguler : β optimum pour pH ≈ pKa, i.e. : x = 0,5 ou [sel]=[Af] ou [HA]=[A-].
• molarité du ST ([A-]+[HA])
• organisme humain : "ouverture" sur l’extérieur de certains ST (via organes régulateurs : reins, poumons)
4.4. Limites du pouvoir tampon :
• 1 L de ST HA/A- ( [HA] et [A-] mol.L-1 )
• Ajout d’un AF : x moles de H+
• A- intervient
• Tant que x < [A-] : totalité des H+ ajoutés « tamponnés », « pris en charge » : pH varie peu :
• Lorsque x > [A-] : l’excès d’AF , x-[A-] , se manifeste pleinement : variation importante et brutale du pH
4.6. Mélange de plusieurs ST :
Domaine réduit d’efficacité d’un ST
Mélange de plusieurs ST : extension de l’efficacité et de la zone tampon (l’organisme humain procède ainsi)
pH
β
pKa1 pKa2 pKa3
Pouvoir tampon du mélange
4.5. Zone tampon : Intervalle de pH sur lequel le ST considéré est efficace
Zone tampon
6. Exemple de pouvoir tampon
Pouvoir tampon de l’eau : 1L eau pure (pH = 7)
• Ajout de 10-2 M HCl ⟶ pH=2
1L ST acide acétique (pKa=4,75) / acétate de sodium
[acide acétique] = [acétate] = 1M ⟶ pH=4,75
• Ajout de 10-2 M HCl : [acétate] = 1 - 0,01 = 0,99 M
[acide] = 1 + 0,01 = 1,01 M
pH après ajout = 4,75 + log (0,99/1,01) ≈ 4,74ΔpH = 4,75 – 4,74 = 0,01
Pour terminer …Pour terminer …
Pour terminer …Pour terminer …
Faux
Faux
Faux