DES ÉQUILIBRES ACIDO-BASIQUES EN MILIEU BIOLOGIQUE (1h45) La calculatrice N EST PAS autorisée

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1 DES ÉQUILIBRES ACIDO-BASIQUES EN MILIEU BIOLOGIQUE (1h45) La calculatrice N EST PAS autorisée Document n 1 : Système tampon phosphate Dans les milieux biologiques, les systèmes tampons amortissent les variations de ph lorsqu il y a une perturbation de l équilibre acide-base. L effet du système tampon est plus efficace si la concentration en chacune des espèces le constituant est grande et si le pka du système tampon est proche du ph des milieux biologiques ; l effet est maximum lorsque ph = pka. Dans le corps humain, le ph du sang et des fluides extracellulaires varie peu autour de 7,4 et le ph normal intracellulaire est de 6,8 à 7,0 selon les cellules. Ainsi le ph intracellulaire est maintenu pratiquement constant grâce au système phosphate : H 2 PO - 4 /HPO 2-4. Document n 2 : Autre système tampon Un autre système tampon important dans l organisme fait intervenir le couple dioxyde de carbone dissous, ion hydrogénocarbonate : CO 2,H 2 O / HCO - 3. Dans les conditions normales de respiration, la concentration molaire en dioxyde de carbone dans le sang est telle que [CO 2(aq) ] = p(co 2 ) où est la constante de solubilité de valeur = 0,030 mmol.l -1.mmHg -1 et p(co 2 ) la pression partielle de dioxyde de carbone dans l alvéole pulmonaire exprimée en millimètres de mercure (mmhg). Sa valeur est normalement p(co 2 ) = 40 - mmhg. La concentration molaire des ions hydrogénocarbonate est [HCO 3 (aq) ] = 24 mmol/l. Document n 3 : Acidose métabolique Les perturbations portant sur la régulation du ph dans l organisme peuvent provenir du métabolisme. Par exemple, les acidoses métaboliques peuvent être dues à une activité physique importante au cours de laquelle un acide est fabriqué par l organisme suite à une mauvaise oxygénation des tissus. Dans les acidoses métaboliques, la réaction ventilatoire est rapide, elle implique une hyperventilation pour abaisser la quantité de dioxyde de carbone dans le sang, qui doit normalement diminuer en quelques minutes. Le sang contient, à l état normal, 1,65 g.l -1 d ions hydrogénocarbonate et 0,060 g.l -1 de dioxyde de carbone dissous, les concentrations en base et en acide pouvant être - régulées par contrôle de leur excrétion : CO 2(g) par voie respiratoire (rapide) et HCO 3 (aq) par voie rénale (lente). Document n 4 : Aides aux calculs log 20 = 1,3 6 = 2,4

2 Document n 5 : Modèle moléculaire de l acide lactique Légende : Blanc = atome d hydrogène Gris = atome de carbone Rouge = atome d oxygène Document n 6 : Spectres IR associés aux molécules présentes dans les deux flacons Spectre n 1 : Spectre n 2 :

3 Document n 7 : spectres RMN des molécules présentes dans les flacons 1 et 2. Spectre n 1 Spectre n 2 : Document n 8 : Zone de virage de quelques indicateurs colorés Indicateur coloré Teinte acide Zone de virage Teinte basique Hélianthine Rouge 3,1 4,4 Jaune Bleu de bromothymol Jaune 6,0 7,6 Bleu Rouge de Crésol Jaune 7,2-8,8 Rouge Phénolphtaléine Incolore 8,2 10,2 Rose Jaune d alizarine R Jaune 10,0 12,1 Rouge

4 Document n 9 : Dosage ph-métrique de l acide lactique par une solution d hydroxyde de sodium 10 % 1 2 Vb (ml) Le ph des liquides biologiques doit-être maintenu dans des fourchettes étroites pour que la vie soit possible. Un changement de ph perturberait très sérieusement le métabolisme des organismes vivants. Les différents milieux disposent de systèmes tampons performants pour maintenir constant le ph. L objectif de l exercice est de comprendre le maintien et la régulation du ph des milieux biologiques.

5 PARTIE I : LES SOLUTIONS TAMPONS : MAINTIEN DU PH DES MILIEUX BIOLOGIQUES 1. Définir ce qu est une solution tampon. 2. Donner en justifiant la réponse, une estimation de la valeur du pka du couple H 2 PO - 4 /HPO a) Donner l expression de la constante d acidité associé au couple CO 2,H 2 O / HCO 3 3.b) 3.c) Sachant que le pka associé à ce couple vaut 6,1 à 37 C, et à l aide du document n 2, déterminer la valeur du ph sanguin dans les conditions normales de respiration. Expliquer alors comment une hyperventilation permet de corriger une acidose métabolique PARTIE II : UN ACIDE DE L ORGANISME Lors d une acidose métabolique, l organisme produit de l acide lactique de formule brute C 3 H 6 O 3 dont le modèle moléculaire est donné dans le document n Donner la formule semi-développée de l acide lactique. 2. Entourer et nommer les groupes caractéristiques présents dans cette molécule et nommer les fonctions organiques correspondantes. 3. Justifier que le carbone C 2 de la molécule d acide lactique est asymétrique. 4. Justifier alors la chiralité de cette molécule. 5. En argumentant la réponse, préciser le nombre de stéréoisomères de configuration que possède cette molécule ainsi que la relation de stéréoisomérie qui existe entre eux. 6. Donner les représentations de Cram de ces stéréoisomères, autour du carbone C 2 Un groupe d élèves trouve sur sa paillasse deux flacons, notés 1 et 2. Sur le flacon 1, est indiqué : acide lactique. Sur le flacon 2 est indiqué : CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH. Ils trouvent aussi des spectres IR et des spectres RMN correspondant à ces molécules. (Documents n 6 et 7) 7. Nommer la molécule présente, dans le flacon 2, de formule semi-développée CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH 8. Montrer que le nombre d onde 4000 cm -1 des spectres du document n 6, correspond à une longueur d onde dans les infrarouges. 9. En analysant, les deux spectres donnés dans le document n 6, attribuer chacun des spectres aux molécules des flacons 1 et 2 (une argumentation rigoureuse est demandée). 10. Représenter chacune des molécules présentes dans les flacons 1 et 2 en formule semi-développée. Entourer en couleurs les différents groupes de protons équivalents, et indiquer pour chacun d eux le nombre de protons voisins, et en déduire la multiplicité du signal correspondant. 11. À partir des résultats précédents et en argumentant rigoureusement la réponse, attribuer à chacune des molécules son spectre RMN fourni dans le document n 7.

6 PARTIE III : DOSAGE DE L ACIDE LACTIQUE CONTENU DANS LE FLACON N 1 Le groupe d élèves décide de titrer l acide lactique C 3 H 6 O 3. Pour cela, il dose un volume V a = 20,0 ml de solution d acide lactique par une solution d hydroxyde de sodium (Na + (aq) + HO - (aq)) de concentration molaire C b = 4, mol/l. 1. Définir un acide au sens de Brönsted. 2. Écrire le couple acide/base auquel appartient l acide lactique. 3. Quelles sont les caractéristiques d une réaction de titrage? 4. Écrire l équation de la réaction support du titrage. 5. Le document n 9 (reproduit en annexe) donne la courbe de dosage ph-métrique de l acide lactique. 5.a) Déterminer l expression et la valeur de la concentration molaire en acide lactique présent dans le flacon n 1. 5.b) Quel indicateur coloré aurait pu être utilisé pour un dosage colorimétrique de cet acide (justifier la réponse). 6. Les élèves décident alors d estimer la précision de leur résultat. Pour cela ils estiment, l incertitude sur le prélèvement d acide lactique à ΔV a = 0,2 ml. Le laboratoire leur indique que la concentration molaire de la solution d hydroxyde de sodium est connue avec une incertitude ΔC b = 0, mol/l. Après construction graphique, le groupe d élève estime l incertitude sur la détermination du volume équivalent à ΔV E = 0,2 ml. 6.a) L incertitude relative sur la détermination de la concentration molaire en acide lactique est donnée par : ΔCa Ca = ( ΔVa Va )2 + ( ΔCb Cb )2 + ( ΔVE VE )2. Déterminer la valeur de l incertitude relative sur la détermination de C a 6.b) En déduire un encadrement de la valeur de la concentration molaire en acide lactique C a. 7. Sur le document n 9, les courbes 1 et 2 représentent l évolution des pourcentages des formes acide et basique de l acide lactique au cours du dosage. 7.a) En justifiant la réponse, associer les courbes 1 et 2 aux formes acide et basique de l acide lactique. 7.b) Que peut-on dire des concentrations molaires des formes acide et basique de l acide lactique à la demi-équivalence, c'est-à-dire pour un volume de réactif titrant versé égal à V b = V b,e /2. Justifier. 7.c) En justifiant clairement la réponse, en déduire alors le pka du couple associé à l acide lactique. 7.d) Construire alors le diagramme de prédominance associé au couple de l acide lactique. 7.e) Au cours d une acidose métabolique, le ph sanguin peut chuter à une valeur proche de 7,3. Quelle est alors l espèce du couple qui prédomine dans le sang?

7 ANNEXES À RENDRE AVEC LA COPIE EXERCICE 1 : DES ÉQUILIBRES ACIDO-BASIQUES EN MILIEU BIOLOGIQUE Courbe de dosage ph métrique de 20,0 ml d acide lactique par une solution d hydroxyde de sodium de concentration molaire C b = 4, mol/l. ph Courbe 1 Courbe 2 Vb (ml)

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