Connaitre les propriétés d'une solution tampon

Un acide faible AH est un acide dont la réaction avec l’eau est limitée :

AH (aq) + H₂O (l)  A^– (aq) + H₃O⁺ (aq).

De même, une base faible A^– réagit avec l’eau selon une réaction limitée :

A^– (aq) + H₂O (l)  AH (aq) + HO^– (aq).

Le pH d’une solution est relié au pK_A d’un couple AH / A^– par la relation suivante.

avec : pH, sans unité pKA, sans unité la concentration en quantité de matière de l’espèce X à l’équilibre, en mol·L–1

Les concentrations en quantité de matière de l’acide et de sa base conjuguée sont ainsi égales : .

En utilisant la relation entre le pH et le pK_A d’un couple AH / A^–, pH = pK_A + , on obtient alors pH = pK_A + log(1) car .

Puisque log(1) = 0, on a donc pH = pK_A.

Exemple
On dispose d’une solution constituée par le couple acide éthanoïque/ion éthanoate CH₃COOH / CH₃COO^–.

Dans cette solution, on a  0,10 mol/L. C’est donc une solution tampon.

À 25 °C, on mesure dans cette solution un pH égal à 4,76 qui est bien égal au pK_A du couple CH₃COOH / CH₃COO^– à cette température.

On reprend la solution tampon CH₃COOH / CH₃COO^– qui a un pH égal à 4,76 à 25 °C : cette solution contient à égale concentration l’acide éthanoïque et sa base conjuguée, l’ion éthanoate .

On prélève 100 mL de cette solution tampon et on la place dans un bécher.

On lui fait subir les trois expériences suivantes.

Schéma de l’expérience

On dilue cette solution tampon par l’ajout progressif d’eau distillée.

Le pH-mètre indique une valeur constante du pH de la solution égal à 4,76.

Schéma des expériences

Dans l’expérience de gauche, on ajoute des petites quantités d’un acide fort dans la solution tampon, comme par exemple de l’acide chlorhydrique HCl, de concentration C = 0,50 mol·L^–1.

Dans l’expérience de droite, on ajoute des petites quantités d’une base forte, comme par exemple de la soude NaOH, de concentration C = 0,50 mol·L^–1.

Pour ces deux expériences, le pH-mètre indique une valeur constante du pH de la solution égal à 4,76.

On utilise par exemple des solutions tampons pour étalonner un pH-mètre. L’étalonnage est effectué grâce à deux solutions tampons dont le pH est connu :

• une solution de pH = 4 et une solution de pH = 7 pour travailler avec des solutions acides ;
• une solution de pH = 7 et une solution de pH = 10 pour travailler en milieu basique.

Cette propriété « tampon » est aussi utilisée en biologie. Pour l’être humain, le pH du sang qui circule dans les artères (le sang artériel) est compris entre 7,38 et 7,42.

Pour maintenir le pH constant, divers couples sont utilisés afin d'exploiter l'effet tampon.