Devoir surveillé n o 3 Dosages acido-basiques & cinématique. 1 Florilège de cinématique du point

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1 Devoir surveillé n o 3 Dosages acido-basiques & cinématique 1 Florilège de cinématique du point 1. Choisir un référentiel d étude Pour chacun des mouvements suivants, préciser le référentiel d étude adapté. a. Une libellule sortant du bois pour aller envahir les salles P12 ou P14 ; b. Le bus 13 dans son ascension de la voie romaine devant le lycée ; c. Un élève dans ce même bus, qui appuye sur le bouton «arrêt demandé» ; d. La station spatiale internationale en orbite autour de la Terre ; e. La planète Mars en orbite autour du Soleil. 2. Tracer des vecteurs vitesse et accélération Le document en annexe 1 page 4 donne l enregistrement des positions successives du centre de gravité P d un solide en mouvement. La durée entre deux marques consécutives est τ = 60 ms Calculer les valeurs des vitesses aux point P 2 et P Tracer, à une échelle de 5 cm sur la feuille pour 1 m s 1, les deux vecteurs vitesse correspondants Construire le vecteur v 3 = v 4 v En utilisant l échelle précisée précédemment, calculer la valeur de ce vecteur En déduire la valeur de l accélération a Représenter le vecteur accélération a 3 à une échelle de 1 cm sur la feuille pour 1 m s 2. 2 La glycine, un acide α-aminé La glycine est l acide α-aminé le plus simple. La formule semi-développée de la glycine est la suivante : NH 2 CH 2 COOH 1. En solution aqueuse, la glycine ne reste pas sous la forme semi-développée indiquée ci-dessus, mais subit un échange de proton intramoléculaire aboutissant à la formation d un amphion. Donnez la formule semi-développée de cet amphion. 2. L amphion est un ampholyte. Donnez la définition de ce terme. 3. Donnez les formules semi-développées des couples acide/base auxquels appartient l amphion. 4. Tracer le diagramme de prédominance de la glycine. Pour ce diagramme, si vous estimez que les formules semi-développées sont un peu difficiles à recopier, vous pouvez noter le cation AH + 2, l amphion AH± et l anion A. Données : pk A1 = 2, 3 et pk A2 = 9, 8. 3 Le ph des milieux biologiques 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 tampon performant pour maintenir constant leur ph. L objectif de l exercice est de comprendre le maintien et la régulation du ph des milieux biologiques, puis d effectuer une étude de l acide lactique, acide intervenant dans des processus biologique de notre organisme. Données : pour un couple acido-basique symbolisé A/B, on peut écrire : P.-M. Chaurand Devoir surveillé n o 3 Page 1 sur 4

2 Demi-équation associée au couple (CO 2 / HCO 3 ) : ph = pk A + log [B] éq [A] éq CO 2 (aq) + 2 H 2 O (l) HCO 3 (aq) + H 3O + (aq) 1. Les solutions tampon : maintien du ph des milieux biologiques Document 1 Dans les milieux biologiques, les systèmes tampon 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 pk A du système tampon est proche du ph des milieux biologiques ; l effet est maximum lorsque ph = pk A. 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 / HPO2 4 ) Donner une estimation de la valeur du pka du couple (H 2 PO 4 / HPO2 4 ). Document 2 Un autre système tampon important dans l organisme fait intervenir le couple dioxyde de carbone / ion hydrogénocarbonate (CO 2 / HCO 3 ). Dans les conditions normales de respiration, la concentration molaire en dioxyde de carbone dans le sang est telle que : [CO 2 ] = α p(co 2 ) α est la constante de solubilité de valeur α = 0, 030 mmol L 1 mmhg 1 et p(co 2 ) la pression partielle du dioxyde de carbone dans l alvéole pulmonaire exprimée en millimètre de mercure (mmhg). Sa valeur est normalement p(co 2 ) = 40 mmhg. La concentration molaire des ions hydrogénocarbonate est [HCO 3 ] = 24 mmol L Sachant que le pk A du couple (CO 2 / HCO 3 ) est égal à 6,1 à 37 C, montrer que le ph du sang humain est maintenu à la valeur habituelle dans les conditions normales de respiration. 2. Les perturbations et les mécanismes régulateurs Document 3 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). À l aide de l expression de la constante d acidité du couple (CO 2 / HCO 3 ), expliquer comment une hyper- P.-M. Chaurand Devoir surveillé n o 3 Page 2 sur 4

3 ventilation permet de corriger une acidose métabolique. 3. Un acide de l organisme : l acide lactique L acide produit par l organisme lors d une acidose métabolique est l acide lactique. C est un acide faible de formule brute C 3 H 6 O Recopier la représentation de l acide lactique figurant ci-dessous, puis entourer et nommer les groupes caractéristiques. H OH H 3 C C C O HO 3.2. La figure en annexe 2 page 4 représente deux courbes de titrage ph-métrique de deux solutions aqueuses acides différentes par une solution aqueuse d hydroxyde de sodium Na + (aq) + OH (aq). Les deux acides sont l acide chlorhydrique, un acide fort et l acide lactique, un acide faible. La concentration molaire en soluté apporté des deux solutions aqueuses d acide est c = 1, mol L Calculer le ph de la solution d acide fort avant l ajout de la solution aqueuse de soude et en déduire la courbe correspondant à son titrage ph-métrique L acide lactique est l acide du couple (CH 3 CHOH COOH/ CH 3 CHOH COO ). Écrire l équation de la réaction de titrage de l acide lactique par la solution aqueuse d hydroxyde de sodium Quelles propriétés doit avoir une réaction de dosage? Définir l équivalence Utiliser la méthode des tangentes pour déterminer les coordonnées du point équivalent (V E, ph E ). Le tracé doit rester apparent sur l annexe, à rendre avec la copie On envisage de recommencer ce dosage de façon régulière et on souhaite gagner du temps. Pour cette raison on envisage un dosage colorimétrique et non ph-métrique. Voici quelques indicateurs colorés typiques, indiquer et justifier quel indicateur pourrait convenir, et décrire le ou les changements de couleur qui seraient observés à l équivalence. Indicateur coloré Teinte acide Teinte basique pk A Hélianthine Jaune orangé Rouge 3,7 Vert de bromocrésol Jaune Bleu 4,7 Bleu de bromothymol Jaune Bleu 7,0 Phénolphtaléine Incolore Fuschia 9, Montrer que pour un volume de solution aqueuse de soude ajouté égal à V E 2, le ph de la solution vaut pk A. En déduire une estimation du pk A de l acide lactique. P.-M. Chaurand Devoir surveillé n o 3 Page 3 sur 4

4 Nom : Prénom Annexe 1 À rendre avec la copie P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 0 10 cm Annexe 2 À rendre avec la copie ph 10 5 Courbe 1 Courbe V (ml) P.-M. Chaurand Devoir surveillé n o 3 Page 4 sur 4

5 Correction du devoir surveillé n o 3 Dosages acido-basiques & cinématique 1 Florilège de cinématique du point 1. a. Référentiel terrestre ; b. Référentiel terrestre ; c. Référentiel lié au bus ; d. Référentiel géocentrique ; e. Référentiel héliocentrique On mesure sur l annexe P 1 P 3 = 3,0 cm et P 3 P 5 = 2,75 cm. Il faut tenir compte de l échelle : 10 cm indiqués pour 2,0 cm mesurés : Vitesses : P 1 P 3 = 3, 0 10 = 15 cm 2, 0 P 3 P 5 = 2, = 13,75 cm 2, 0 v 2 = P 1P 3 et v 4 = P 3P 5 2τ 2τ Applications numériques : v 2 = et v 4 = 13, v 2 = 1,3 m s 1 et v 4 = 1,1 m s Avec l échelle, les deux vecteurs feront des longueurs de : 1, 3 5 = 6,5 cm et 1, 1 5 = 5,5 cm Ils sont placés aux points P i correspondants, tangents aux segments P i 1 P i Construction du vecteur v 3 = v 4 v 2 ci-dessous Le vecteur v 3 fait 2,4 cm de long ; avec l échelle choisie pour les vecteurs, sa norme est donc de : 2.5. Accélération : v 3 = 2, 0 1 = 0,40 m s 1 5 a 3 = v 3 2τ = 0, = 3,3 m s Avec l échelle, le vecteur accélération a 3 fera 3,3 cm de longueur, il sera placé en P 3, de même direction et même sens que v 3. v2 v4 P 2 P 3 P 4 P5 P 6 P 1 P 7 P 0 a3 10 cm v 3 v4 v 2

6 2 La glycine, un acide α-aminé 1. Amphion : NH + 3 CH 2 COO. 2. Une espèce chimique qui peut jouer le rôle de l acide dans un couple et de la base dans un autre couple. pk A2 = 9, 8 : ( + NH 3 CH 2 COO / NH 2 CH 2 COO ) 4. Diagramme de prédominance : 3. pk A1 = 2, 3 : ( + NH 3 CH 2 COOH/ + NH 3 CH 2 COO ) AH + 2 AH ± A 2,3 9,8 ph 3 Le ph des milieux biologiques 1.1. pk A entre 6,8 et 7,0 pour une efficacité maximale du tampon phosphate dans le milieu cellulaire On peut directement utiliser la formule donnant le ph en fonction du pk A et des concentrations des deux formes du couple : ph = pk A + log [HCO 3 ] f [CO 2 ] f La concentration en ions hydrogénocarbonate est indiquée dans le texte. La concentration en dioxyde de carbone dissout dans l eau peut être calculée : p(co 2 ) = α p(co 2 ) p(co 2 ) = 0, = 1, 2 mmol On remplace dans l expression précédente : ph = 6, 1 + log 24 1, 2 = 7, 4 Il s agit bien de la valeur de ph habituelle pour le milieu sanguin. 2. Constante d acidité : K A = [HCO 3 ] f [H 3 O+ ] f [CO 2 ] f L hyperventilation va permettre d accroître les échanges au sein des alvéoles pulmonaires, et donc d augmenter la concentration de dioxygène et de diminuer la concentration de dioxyde de carbone dans le sang : [CO 2 ] Or la constante d acidité K A est, comme son nom l indique, une constante ; et d autre part, les ions hydrogénocarbonate sont éliminés par voie rénale, de façon lente, donc on peut considérer que leur concentration est constante sur les quelques minutes de l hyperventilation : K A = cte et [HCO 3 ] cte Au final, on constate dans l expression de la constante d acidité K A que seule la concentration en ions oxonium H 3 O + peut diminuer pour compenser la diminution de la concentration en dioxyde de carbone : [H 3 O + ] ph c. q. f. d Groupe hydroxyde OH et groupe carboxyle COOH : H 3 C H C HO OH Il s agit d un acide fort de concentration en soluté apporté c, donc le ph est donné par : C O ph = log c ph = log(1, ) = 2, 0 Une seule des deux courbes commence à ph = 2, 0, la courbe 2. C est donc la courbe de dosage de l acide fort R COOH (aq) + OH (aq) R COO (aq) + H 2 O (l) Une réaction de dosage doit être totale, rapide, univoque À l équivalence, les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques Coordonnées du point équivalent : V E = 10, 0 ml et ph = 7, La teinte sensible de l indicateur coloré doit inclure le ph à l équivalence. La phénolphtaléïne est le seul indicateur qui correspond Par simple lecture graphique à V = 5, 0 ml, on trouve pk A = 3, 9.

7 ph 10 ph E Phénolphtaléine Bleu de bromothymol 5 Courbe 1 Hélianthine Courbe V E V (ml)

8 Grille DS3 1. Florilège de cinématique.../8 Terrestre 2 ; lié au bus ; géo et héliocentrique Formules v 2 et v 4 v 2 = 1, 3 m s 1 et v 4 = 1, 2 m s 1 Tracé v 2 de 6,5 cm et v 4 de 6 cm Tracé v 3 v 3 = 0, 58 m s 1 de 2,9 cm a 3 = 4, 8 m s 2, calculé Tracé a 3 de 4,8 cm 2. La glycine.../4 Amphion + NH 3 CH 2 COO Acide d un couple et base d un autre ( + NH 3 CH 2 COOH/ + NH 3 CH 2 COO ) ( + NH 3 CH 2 COO / NH 2 CH 2 COO ) Diagramme de prédominance 3. Équilibres biologiques.../14 pk A 7 pour une efficacité maximale ph = pk A + log [HCO 3 ] f /[CO 2] f ph = 7, 4, bien le ph du sang indiqué au doc. 1 K A = [HCO 3 ] f [H 3 O+ ] f /[CO 2 ] f Hyperventilation donc [CO 2 ] Or K A constante donc [H 3 O + ] Groupe carboxyle + groupe hydroxyle, entourés ph initial 2,0 (déjà calculé!) donc courbe 2 R COOH (aq) + OH (aq) R COO (aq) + H 2 O (l) Totale, rapide, univoque Proportions stœchiométriques V E = 10, 0 ml et ph = 7, 9, tracé apparent Phénolphtaléine adapté, justifié Lecture graphique pk A 3, 9 Total.../26 Note.../20