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chimie (MPSI) · Chapitre 6 · Application directe du cours

L'acide phosphorique : diagramme de distribution d'un triacide

Réactions acide-base et de précipitation · niveau 2

Énoncé

L'acide phosphorique est un triacide : , , . Convention : frontières de prédominance à égalité des concentrations des deux formes d'un couple.

  • Tracer le diagramme de prédominance des quatre formes. Quelles sont les espèces amphotères ?
  • On note et les fractions de , , , dans la quantité totale de phosphore dissous. Exprimer ces fractions en fonction de et des constantes .
  • (Capacité numérique, à titre illustratif.) Adapter le script de l'encadré du cours pour calculer les quatre fractions et tracer le diagramme de distribution entre et .
  • À , que valent les quatre fractions ? Montrer que deux espèces « non voisines » sont dans un rapport de l'ordre de .
  • Pour quel pH la fraction de est-elle maximale ? Valeur de ce maximum ?
  • Composition des espèces phosphatées dans le cytoplasme d'une cellule () ; dans un soda acidifié à l'acide phosphorique ().

Corrigé

1) Le diagramme. Trois frontières, quatre domaines, de gauche à droite : pour ; entre et ; entre et ; au-delà. Les deux espèces intermédiaires, et , sont amphotères : chacune est la base du couple à sa gauche et l'acide du couple à sa droite. Les sont bien rangés dans l'ordre croissant : il est plus difficile d'arracher un proton à un ion déjà chargé négativement.

2) Les fractions. Les trois constantes donnent, de proche en proche, chaque forme en fonction de la précédente :

En multipliant par et en notant la somme des quatre termes, la conservation du phosphore donne

Ces fractions ne dépendent que du pH, pas de la concentration totale : c'est ce qui permet de tracer un diagramme universel.

3) Le script. On reprend l'encadré du cours en remplaçant deux fractions par quatre :


import numpy as np

pKa = [2.1, 7.2, 12.4]           # les trois acidites de H3PO4
K1, K2, K3 = (10.0**-p for p in pKa)

def fractions(pH):
    h = 10.0**-pH
    t = np.array([h**3, K1*h**2, K1*K2*h, K1*K2*K3*np.ones_like(h)])
    return t / t.sum(axis=0)

for pH in (2.5, 4.65, 7.2, 7.4):
    a = fractions(pH)
    print(f"pH = {pH:5.2f} :", "  ".join(f"{x:.3g}" for x in a))

pH = np.linspace(0, 14, 14001)
a1 = fractions(pH)[1]
i = a1.argmax()
print(f"maximum de H2PO4- : pH = {pH[i]:.2f}, fraction = {a1[i]:.4f}")
# trace : plt.plot(pH, fractions(pH).T) avec matplotlib

Résultat obtenu en l'exécutant :


pH =  2.50 : 0.285  0.715  1.43e-05  1.8e-15
pH =  4.65 : 0.0028  0.994  0.0028  4.98e-11
pH =  7.20 : 3.97e-06  0.5  0.5  3.15e-06
pH =  7.40 : 1.94e-06  0.387  0.613  6.13e-06
maximum de H2PO4- : pH = 4.65, fraction = 0.9944

Le tracé montre quatre « cloches » successives qui se croisent deux à deux, à mi-hauteur, aux trois : le diagramme de prédominance est la projection de ce diagramme de distribution sur l'axe des pH.

4) Au . À , par définition du , et les deux autres formes sont minuscules : , , . On le retrouve sans le script : , d'où ; de même . Une espèce séparée de la forme majoritaire par une frontière située à unités est dans un rapport : c'est pourquoi on dit que deux espèces non voisines sur le diagramme ne coexistent pas en quantités comparables (dès que les sont distants de quelques unités).

5) Le maximum de . En divisant numérateur et dénominateur par :

Le dernier terme est négligeable dans le domaine de . Il faut minimiser ; la dérivée par rapport à , , s'annule pour , soit

On retrouve sous une autre forme un résultat sur les amphotères : une solution de l'amphotère seul, où la réaction prépondérante est celle de l'amphotère sur lui-même, a précisément ce pH, celui où il est le plus pur.

6) Deux milieux. Dans le cytoplasme, : , — le couple /, dont le est à unité du pH, est dans sa zone tampon : c'est l'un des tampons intracellulaires. Dans un soda à : , ; l'acide phosphorique n'y est qu'à moitié sous forme moléculaire, et y est à l'état de traces ().

Ce que l'exercice installe. Le diagramme de distribution contient le diagramme de prédominance et le quantifie : fractions qui se croisent à aux , espèces non voisines dans le rapport , amphotère le plus pur au milieu de son domaine. Chaque valeur imprimée par le script se retrouve en une ligne à partir des constantes.

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