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LES IONS FERREUX

Exercice - Les ions ferreux essentiels pour le transport du dioxygène dans le sang



L'énoncé

Transportées par les globules rouges, les molécules d’hémoglobine assurent, par la circulation sanguine, l’apport du dioxygène aux différents organes des animaux vertébrés.

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L’hémoglobine est un assemblage de quatre sous-unités qui abritent chacune une structure chimique particulière nommée hème. Chaque hème contient un ion ferreux Fe2+. Cet ion ferreux Fe2+ est responsable de la fixation d’une molécule de dioxygène.

Certains polluants ou toxines présents dans le sang peuvent oxyder les ions ferreux Fe2+ en ions ferriques Fe3+ qui n’ont pas la capacité de fixer le dioxygène. Il est donc important que l’élément fer de l’hème ne soit pas oxydé et reste sous la forme d’ion Fe2+.

Dans cet exercice, on étudie d’abord l’oxydation des ions ferreux en ions ferriques. Ensuite, une méthode de dosage de l’hémoglobine dans le sang et le traitement d’une carence en fer sont abordés.

 

1. Oxydation des ions ferreux

Une expérience est menée en laboratoire pour illustrer la capacité de l’ion permanganate à oxyder les ions ferreux. Dans un bécher contenant 40 mL d’une solution de sulfate de fer(II) (Fe2+(aq) + SO42- (aq)) de concentration en quantité de matière égale à 2,5 x 10-1 mol·L-1 , on introduit 20 mL d’une solution aqueuse de permanganate de potassium (K+ (aq) + MnO4- (aq)) de concentration en quantité de matière 1,0 x 10-1 mol·L-1 contenant aussi des ions H+. Les solutions avant mélange et après le mélange ont été photographiées et figurent ci-dessous.

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Données :

La présence des espèces chimiques citées dans le tableau ci-dessous confère une coloration à une solution aqueuse.

Espèce chimique  Fe2+  Fe3+ MnO4-  Mn2+
Coloration de la solution aqueuse   Verdâtre Orangée

Violacée

coloration intense

Incolore

 

Couples oxydant/réducteur :

- Fe3+(aq)/Fe2+(aq) ;

- MnO4-(aq)/Mn2+(aq) dont la demi-équation électronique s’écrit :

MnO4- (aq) + 8 H+ (aq) + 5 e = Mn2+(aq) + 4 H2O(ℓ)


  • Question 1

    À l’aide des observations, montrer qu’une transformation chimique a bien eu lieu.

  • Question 2

    Identifier les oxydants et les réducteurs consommés et ceux qui sont produits.

  • Question 3

    On souhaite modéliser la transformation par une réaction oxydant-réducteur.

    Écrire la demi-équation électronique du couple Fe3+(aq)/Fe2+(aq).

  • Question 4

    Vérifier que l’équation de la réaction oxydant-réducteur modélisant la transformation chimique s’écrit : MnO4- (aq) + 5 Fe2+(aq) + 8 H+ (aq) → Mn2+(aq) + 5 Fe3+(aq)+ 4 H2O (ℓ).

     

  • Question 5

    Justifier, à l’aide des données, que MnO4- (aq) et Fe2+(aq) sont introduits en proportions stœchiométriques dans le mélange initial.

  • Question 6

    Cette modélisation de la transformation sert de support pour rédiger un programme en langage python. Ce programme permet de visualiser l’évolution des quantités de matière des ions permanganate et des ions ferreux dans le système précédent en fonction de l’avancement de la réaction noté $x.$

    Extrait du programme rédigé en langage python :

    ion-prog

    Représentations graphiques de l’évolution des quantités de matière calculées par le programme :

    ion-prog2

    Indiquer la ligne du programme codant l’information correspondant à une transformation totale. Justifier.

  • Question 7

    Établir un tableau d’avancement de la réaction et vérifier que la valeur de l’avancement maximal est compatible avec le tracé de la figure 1

  • Question 8

    Déduire du tableau d’avancement l’expression de la quantité de matière des ions Fe3+(aq) en fonction de l’avancement.

  • Question 9

    Écrire l’instruction permettant de calculer la quantité de matière de Fe3+(aq) pour une valeur d’avancement $x$ et proposer un numéro de ligne où elle pourrait être insérée dans le programme.

  • Question 10

    Reproduire la figure 1 sur votre copie et tracer la représentation graphique de l’évolution de la quantité de matière d’ions Mn2+(aq) et celle de la quantité de matière d’ions Fe3+(aq).

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