Chapitre 5 : constante d’acidité d’un couple acide base
AIE ! J’AI UNE CRAMPE corrigé
Lors
du métabolisme basal de l’homme, l’énergie nécessaire provient de la
transformation en milieu oxygéné du glucose en dioxyde de carbone et eau. Le
dioxyde de carbone est transporté par le sang jusqu’aux poumons où il est alors
éliminé par ventilation.Lors d’un effort physique intense, les besoins
énergétiques des muscles augmentent : le métabolisme basal augmente ainsi
que la ventilation. Dans certains cas, lorsque la ventilation est insuffisante,
l’énergie nécessaire au fonctionnement du muscle devient insuffisante : la
crampe apparaît. Il se forme, dans la cellule musculaire, de l’acide lactique
qui lorsqu’il passe dans le sang, provoque une diminution locale de son pH du
fait de la création en abondance de dioxyde de carbone dissous dans le sang
Cette diminution du pH sanguin déclenche des ordres hypothalamiques qui vont
amplifier la ventilation.
Le
but de cet exercice est d’expliquer, de façon très simplifiée, les processus
mis en jeu lors de l’apparition d’une crampe.
1
- pH du sang et maintien de sa valeur :
Le
sang est constitué d’un liquide plasmatique (contenant entre autres les
globules et les plaquettes), qui peut être assimilé à une solution aqueuse
ionique dont le pH (d’une valeur voisine de 7,4) est quasiment constant et ne
peut subir que de très faibles fluctuations. Dans le cas contraire, de fortes
fluctuations nuiraient gravement à la santé.
Le maintien de la valeur du pH se fait par
deux processus :
-
Le premier
met en œuvre un ensemble d’espèces chimiques régulatrices dont notamment le
couple acide-base CO2, H2O / HCO3-
(couple dioxyde de carbone dissous / ion hydrogénocarbonate) grâce à
l’équilibre :
CO2, H2O(aq) + H2O(l) = HCO3–(aq) + H3O+(aq) (réaction 1).
-
Le deuxième
processus physico-chimique est la respiration.
A une température de
37°C on donne :
- pH d’un sang artériel
« normal » : 7,4
- pKa(CO2, H2O
/ HCO3–) = 6,1
1.
a)
Donner l’expression de la
constante d’acidité Ka1 associée au couple régulateur (réaction 1).
En déduire (en le démontrant) la
relation entre le pH et le pKa1 du couple CO2, H2O
/ HCO3–.
b) Calculer alors la valeur
du rapport dans le sang artériel
normal.
c) Lors d’un effort physique, la concentration
en dioxyde de carbone dissous dans le sang, au voisinage du muscle, augmente.
Comment devrait varier le pH du sang ?
d) Etablir un diagramme de
prédominance pour le couple CO2, H2O / HCO3–
2.
L’acide lactique
L’acide lactique a pour formule CH3–CHOH–COOH.
Sa base conjuguée est l’ion lactate
CH3–CHOH–COO–.
2.1 Donner la définition d’un acide selon Brönsted.
2.2 Ecrire l’équation de la réaction de l’acide lactique avec
l’eau.
2.3 Dans la cellule musculaire, l’acide lactique est formé à
partir de l’acide pyruvique de formule
CH3–CO–COOH. La transformation produite est une oxydoréduction
faisant intervenir le couple acide pyruvique / acide lactique.
Écrire la demi-équation électronique
associée au couple.
S’agit-il d’une oxydation ou d’une
réduction de l’acide pyruvique dans la cellule musculaire ?
3. Variation locale du pH sanguin en
l’absence des processus de maintien :
Lorsque l’acide lactique produit dans la
cellule musculaire est en partie transféré dans le sang, il réagit avec les
ions hydrogénocarbonate selon l’équation :
CH3–CHOH–COOH(aq) + HCO3–(aq) = CH3–CHOH–COO–(aq) + CO2,H2O(aq) (réaction 3)
Données à 37°C :
Pour le sang avant l’effort : - [HCO3-]i
= 2,7´10-2 mol.L-1
- [CO2,
H2O]i = 1,4´10-3
mol.L-1
-
pKa (CO2, H2O / HCO3-) = pKa1
= 6,1
- pKa (acide lactique / ion lactate) = pKa2
= 3,6
On considère un volume V = 100 mL de sang
« après » effort dans lequel apparaît n0 = 3,0´10–4 mol d’acide lactique
3.1. Calculer la constante d’équilibre K de la réaction 3.
3.2. En supposant la transformation totale, compléter le tableau
d’évolution des espèces (tableau d’avancement) fourni en annexe (expression
littérale puis numérique).
3.3. Calculer alors pour le sang après effort : [HCO3–]f
et [CO2, H2O]f.
3.4. En utilisant la relation établie au 1.1.a) calculer le pH
local du sang après effort. Comparer cette valeur avec celle du sang avant
effort. Conclusion.
Avancement |
AH (aq) + HCO3– (aq) =
A– (aq) + CO2,H2O (aq) |
|||
État initial x= 0 n (mol) |
|
|
0 |
|
État intermédiaire x(mol) |
|
|
|
|
État final x = xmax |
|
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|
L’acide lactique est noté AH, sa base
conjuguée A–