Acides, bases et solutions tampons
pH et acidité, couples acide-base, constante d'acidité et pKa, diagrammes de prédominance, relation pH = pKa + log, solutions tampons et équilibre acido-basique du sang (acidose, alcalose).
1. Acides, bases et pH
Définition
Un acide est une espèce capable de céder un ion $\text{H}^+$, une base une espèce capable d'en capter un ; ils forment un couple $\text{AH}/\text{A}^-$. Le pH vaut $\text{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+]$ et $[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
Définition · Constante d'acidité
Pour $\text{AH} + \text{H}_2\text{O} = \text{A}^- + \text{H}_3\text{O}^+$ : $K_a = \dfrac{[\text{A}^-][\text{H}_3\text{O}^+]}{[\text{AH}]}$ et $\text{p}K_a = -\log K_a$. Plus le $\text{p}K_a$ est petit, plus l'acide est fort. On montre que $$\text{pH} = \text{p}K_a + \log\dfrac{[\text{A}^-]}{[\text{AH}]}$$
Propriété · Prédominance
Si $\text{pH} \lt \text{p}K_a$, la forme acide prédomine ; si $\text{pH} \gt \text{p}K_a$, la forme basique prédomine.
2. Solutions tampons et sang
Définition
Une solution tampon contient un acide faible et sa base conjuguée en quantités voisines : son pH, proche du $\text{p}K_a$, varie peu par ajout modéré d'acide ou de base.
Exemple · Le pH du sang
Le principal tampon du sang est le couple $\text{CO}_2,\text{H}_2\text{O}/\text{HCO}_3^-$ ($\text{p}K_a = 6{,}1$). Avec $\dfrac{[\text{HCO}_3^-]}{[\text{CO}_2]} = 20$ : $\text{pH} = 6{,}1 + \log 20 \approx 7{,}4$. Les poumons (élimination du $\text{CO}_2$) et les reins (élimination des ions $\text{H}^+$, réabsorption de $\text{HCO}_3^-$) maintiennent ce rapport.
Attention · Acidose et alcalose
Si le pH sanguin descend sous $7{,}35$ (acidose : insuffisance respiratoire, diabète déséquilibré…) ou dépasse $7{,}45$ (alcalose : hyperventilation, vomissements…), les fonctions vitales sont perturbées.
Expérience · Vérifier la relation pH = pKa + log
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Exercices corrigés
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Couples acide-base
★☆☆Donner la base conjuguée de $\text{CH}_3\text{COOH}$, de $\text{NH}_4^+$ et de $\text{CO}_2,\text{H}_2\text{O}$.
Calculer un pH
★☆☆$[\text{H}_3\text{O}^+] = 4{,}0 \times 10^{-8}$ mol/L. pH ?
Concentration à partir du pH
★☆☆Le suc gastrique a un pH de $2{,}0$. $[\text{H}_3\text{O}^+]$ ?
Comparer des forces d'acide
★☆☆Classer par force croissante : acide éthanoïque ($\text{p}K_a = 4{,}8$), acide lactique ($3{,}9$), ion ammonium ($9{,}2$).
Écrire Ka
★★☆Écrire la constante d'acidité du couple acide lactique / ion lactate ($\text{AH}/\text{A}^-$).
Du pKa au Ka
★☆☆Calculer $K_a$ pour $\text{p}K_a = 4{,}8$.
Espèce prédominante dans le sang
★★☆Dans le sang (pH $7{,}4$), l'acide lactique ($\text{p}K_a = 3{,}9$) est-il surtout sous forme acide ou de lactate ?
Calculer un rapport
★★☆Pour le couple $\text{NH}_4^+/\text{NH}_3$ ($\text{p}K_a = 9{,}2$), calculer $\dfrac{[\text{NH}_3]}{[\text{NH}_4^+]}$ à pH $7{,}2$.
pH du sang
★★☆Retrouver le pH du sang avec $\text{p}K_a = 6{,}1$ et $\dfrac{[\text{HCO}_3^-]}{[\text{CO}_2]} = 20$.
Acidose
★★☆Chez un patient, le rapport $\dfrac{[\text{HCO}_3^-]}{[\text{CO}_2]}$ tombe à $12$. pH sanguin ? Conclusion ?
Hyperventilation
★★☆Une personne angoissée respire très vite. Comment évoluent $[\text{CO}_2]$ et le pH sanguin ?
Rôle des reins
★☆☆Comment les reins participent-ils à l'équilibre acido-basique ?
Exploiter les mélanges tampons
★★☆Dans l'expérience, quel pH attend-on pour un mélange de rapport $\dfrac{V(\text{A}^-)}{V(\text{AH})} = 2$ ?
Préparer un tampon
★★★On veut un tampon de pH $5{,}3$ avec le couple éthanoïque. Quel rapport $\dfrac{[\text{A}^-]}{[\text{AH}]}$ faut-il ?
Effet tampon
★★☆Pourquoi le pH d'une solution tampon varie-t-il peu quand on ajoute un peu d'acide ?
Neutralisation
★☆☆Écrire la réaction entre l'acide éthanoïque et les ions hydroxyde.
Indicateur coloré
★★☆Le rouge de phénol ($\text{p}K_a = 7{,}9$) est jaune en milieu acide et rouge en milieu basique. Couleur dans un milieu de culture à pH $7{,}0$ ? à pH $9$ ?
Diluer un tampon
★★☆On dilue $10$ fois une solution tampon. Son pH change-t-il beaucoup ?
Lire le diagramme
★☆☆Sur la figure du cours, à quel pH les deux formes du couple sanguin sont-elles en quantités égales ?
Vrai ou faux
★★☆a) À pH $= \text{p}K_a$, $[\text{AH}] = [\text{A}^-]$. b) Le sang est un milieu acide. c) Un acide de $\text{p}K_a$ faible est un acide fort.
Vérifier
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