Fiche de présentation de la ressource. Nicolas di Scala

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1 Fiche de présentation de la ressource Classe : Terminale ST2S Enseignement : Physique-Chimie Pôle du programme : «Chimie et santé» Sous-thème : Acides et bases dans les milieux biologiques Équilibre chimique : acide, base, solution tampon Nicolas di Scala Prérequis : programme de 3 ème, thème «Métaux, chimie et énergie» valeur ph, notions d acide et de base. programme de 1 ère ST2S, pôle «Chimie et santé», thème «Introduction aux acides et aux bases» définition du ph, mesure du ph à l aide d un ph-mètre, produit ionique de l eau à 25 C, solutions acides, basiques, neutres, notions d acides et de bases, forts et faibles, théorie de Brönsted : acide, base et couple acido-basique, exemples de couples (couples de l eau, de l ion hydrogénocarbonate, de l acide lactique, de l acide phosphorique), réalisation de solutions acides et basiques de concentrations connues à partir d une solution mère et mesures de ph, influence qualitative de la dilution sur le ph. Extrait du BOEN Bulletin officiel n 14 du /17

2 Précisions sur le programme de 1 ère ST2S : - Pour caractériser un acide (ou une base) fort ou faible, on mesure le ph de solutions aqueuses de concentrations connues en espèces apportées et on se limite à comparer à la concentration en ion oxonium (ou hydroxyde) en connaissant [H 3 O + ] = 10 -ph et le produit ionique de l eau. - Pour comparer des acides entre eux (ou des bases entre elles), on utilise des solutions de même concentration à la même température. On revient sur l acide lactique qui est un bon exemple pour illustrer les groupes caractéristiques acide carboxylique et alcool ainsi que la notion de solution d acide faible. L étude de la chiralité de la molécule d acide lactique ne sera pas abordée (étude du carbone asymétrique en classe terminale). - Pour l influence de la dilution sur le ph, la loi de dilution d Ostwald est hors programme. - On écrit de préférence les demi-équations avec un signe égal. Les niveaux taxonomiques Les contenus des programmes sont classés en quatre niveaux : 1 - Niveau d'information : «l'élève en a entendu parler et sait où trouver l'information», 2 - Niveau d'expression : «l'élève sait en parler», 3 - Niveau de maîtrise des outils : «l'élève sait faire», 4 - Niveau de maîtrise méthodologique : «l'élève maîtrise la méthode». Chaque niveau taxonomique englobe le précédent. Cette classification en niveaux taxonomiques permet de définir en conséquence les contenus des évaluations sommatives. Cette classification présente l'avantage de clairement délimiter le niveau d'exigence des contenus du programme. Ainsi, un contenu de degré taxonomique 1 ne peut pas donner lieu à une évaluation sommative et les contenus de niveau 2 ou 3 ne doivent pas conduire à des développements superflus. Liens avec les autres programmes du secondaire Terminale S : Acides forts, acides faibles, notion d équilibre, détermination de la constante d acidité; aspect thermique de la réaction acide fort / base forte ; dosage par titrages directs (ph-métriques, conductimétriques et colorimétriques) dans le domaine de la santé, de l environnement ou du contrôle qualité (en pratiquant une démarche expérimentale) + comparaison des propriétés de diastéréoisomères (possibilité de comparer les propriétés acides des acides fumarique et maléique). Contrôle du ph : solution tampon ; rôle en milieu biologique. Extraire et exploiter des informations pour montrer l importance du contrôle du ph dans un milieu biologique. Première STL-SPCL : instruments d analyse et de mesure (dont ph-mètre) et titrages ph-métriques (suivre et concevoir un protocole). Terminale STI2D : acides et bases en lien avec l habitat. Terminale STL-Chimie Biochimie : détermination de l état final d un système dans le cas d une réaction acide base. Les milieux biologiques sont des milieux tamponnés. Préparer un mélange tampon; mettre en évidence expérimentalement l'effet tampon et ses limites. 2/17

3 Progression pour la séquence «acides et bases dans les milieux biologiques» en terminale ST2S Pôle «Chimie et santé» 60 % (40% restants au niveau du pôle «Physique et santé») Les sciences physiques et chimiques représentent un volume horaire de 3h/semaine pour un élève en Terminale ST2S. PARTIE COURS TP Des molécules de la santé 16 h 8 h Acide et base dans les milieux biologiques 10 h 5 h Solutions aqueuses d antiseptiques 8 h 4 h Total 34 h 17 h PARTIE Acide et base dans les milieux biologiques Nombre de TP 4 TP Mesures de ph (ph mètre, papier ph et/ou indicateurs colorés) de différentes solutions usuelles : vinaigre, lait, savon, sérum physiologique, coca-cola (répartition entre les différents groupes et mise en commun). Réactivation des connaissances de 1 ère sur la définition du ph. Etude de la courbe ph métrique lors d un titrage acide fort - base forte (TICE). Dosage ph métrique acide faible base forte : aspirine du Rhône 500 et/ou vinaigre avec degré d acidité. Solutions tampon : préparation d un tampon et évolution du ph lors d un ajout d acide, de base, d eau. Semaine Nombre d heures Intitulés du programme ère heure Rappels sur les acides et bases, forts et faibles 2 ème heure TP n 1 Mesures de ph de différentes solutions (réinvestissements) 3 ème heure Constante d acidité, pk a,domaine de prédominance 4 ème heure Exo Exercices sur les notions précédentes 5 ème heure Réaction de dosage par titrage acidobasique, définition de l équivalence 6 ème heure TP n 2 Dosage ph-métrique d'un acide fort par une base forte (H 3 O + (aq) + Cl - (aq)) par (Na + (aq) + OH - (aq)) TICE!! 7 ème heure Exploitation du TP + cours dosage acide fort-base forte 8 ème heure TP n 3 Dosage ph-métrique d'un acide faible par une base forte Aspirine ou vinaigre par (Na + (aq) + OH - (aq)) 9 ème heure Exploitation du TP + cours dosage acide faible-base forte 10 ème heure Exo Exercices sur les dosages 11 ème heure Les solutions tampons : caractéristiques et applications 12 ème heure TP n 4 13 ème heure DS Mise en évidence des propriétés des solutions tampons DS Bac blanc ST2S Métropole juin 2013 Exercice 2 : le lait maternisé Base, diagramme prédominance, montage dosage ph-métrique, méthode des tangentes, équivalence, calcul de concentration massique 3/17

4 Équilibre chimique : acide, base, solution tampon Introduction Il existe différentes transformations en chimie, nous allons nous intéresser ici à celles qui se font par échange de protons H +. Ces transformations sont omniprésentes dans le monde qui nous entoure, et conduisent à des variations de ph avec des conséquences diverses et variées. Nous pouvons citer par exemple le sang, assimilable à une solution aqueuse dont le ph a une valeur voisine de 7.4, et dont le maintien de cette valeur est dû à des échanges de protons entre des espèces chimiques régulatrices telles que (H 2 O, CO 2 ) et HCO 3 -. L eau des boissons doit avoir un ph entre 6 et 9 pour être potable. Les eaux de pluies peuvent présenter un caractère acide à cause de gaz qui se retrouvent dissous dans les précipitations dans les régions industrielles (oxydes de carbone et soufre gazeux par exemple), cette acidité peut avoir des conséquences nocives pour la flore et la faune. Problématique : Comment réaliser un dosage d une solution acide ou basique par mesure du ph, c est à dire comment déterminer la concentration inconnue d une solution à partir d une réaction chimique? Le ph en phase aqueuse au quotidien : Substance ph approximatif Acide chlorhydrique 0 Acide d'un accumulateur ou batterie <1,0 Acide gastrique 2,0 Jus de citron 2,4-2,6 Cola 2,5 Vinaigre 2,5-2,9 Jus d orange ou de pomme 3,5 Bière 4,5 Café 5,0 Thé 5,5 Pluie acide < 5,6 Lait 6,5 Eau pure 7,0 Salive humaine 6,5 7,4 Sang 7,38 7,42 Eau de mer 8,0 Savon 9,0 à 10,3 Eau de javel 11,5 Chaux 12,5 Soude 14,0 4/17

5 I. Rappels sur les acides et bases, forts et faibles Une réaction acido-basique correspond au transfert d un ion hydrogène H + (un proton) de l acide d un couple 1, à la base d un autre couple 2. Par exemple : La réaction entre l acide éthanoïque et l eau n étant pas totale, le système chimique atteint un état d équilibre dans l état final, caractérisé par la coexistence des réactifs et des produits dans le mélange réactionnel, l équation de la réaction s écrit avec une double flèche : CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) 5/17

6 Equation acido-basique de la réaction entre l ion oxonium et l ion éthanoate : * couple H 3 O + / H 2 O : H 2 O + H + H 3 O + * couple CH 3 COOH / CH 3 COO - : CH 3 COOH CH 3 COO - + H CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) H 3 O + (aq) + CH 3 COO - (aq) acide2 base1 acide1 base2 II. Constante d acidité, pka, diagramme de prédominance 6/17

7 III. Réaction de dosage par titrage acidobasique, définition de l équivalence 7/17

8 8/17

9 IV. Dosage ph-métrique d'un acide fort par une base forte (H 3 O + (aq) + Cl - (aq)) par (Na + (aq) + OH - (aq)) 9/17

10 10/17

11 V. Dosage ph-métrique d'un acide faible par une base forte : aspirine ou vinaigre par la soude 11/17

12 12/17

13 13/17

14 14/17

15 VI. Les solutions tampons : caractéristiques et applications 15/17

16 VII. Mise en évidence des propriétés des solutions tampons VIII. Conclusions 16/17

17 17/17

K W = [H 3 O + ] [OH - ] = 10-14 = K a K b à 25 C. [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 M Solution neutre. [H 3 O + ] > [OH - ] Solution acide

K W = [H 3 O + ] [OH - ] = 10-14 = K a K b à 25 C. [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 M Solution neutre. [H 3 O + ] > [OH - ] Solution acide La constante d autoprotolyse de l eau, K W, est égale au produit de K a par K b pour un couple acide/base donné : En passant en échelle logarithmique, on voit donc que la somme du pk a et du pk b d un

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