Connaitre les propriétés d'une solution tampon - Maxicours

Connaitre les propriétés d'une solution tampon

Objectif

Citer les propriétés d’une solution tampon.

Points clés
  • Une solution tampon est constituée d’un mélange équimolaire d’un acide faible AH et de sa base conjuguée A. Le pH d’une solution tampon est égal à la valeur du pKA du couple acide-base contenu dans cette solution.
  • Le pH d’une solution tampon varie peu par ajout d’acide fort, de base forte et d’eau (dilution).
Pour bien comprendre
  • Force d’un acide et d’une base (faible ou fort)
  • Relation pH = pKA + 
1. Rappels
a. Force d'un acide et d'une base

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).

b. pKA d'un couple

Le pH d’une solution est relié au pKA 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·L1
2. Les solutions tampons
a. Définition
Une solution tampon est une solution constituée par un mélange équimolaire (même quantité de matière) d’un acide faible AH et de sa base conjuguée A.

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 pKA d’un couple AH / A, pH = pKA + , on obtient alors pH = pKA + log(1) car .

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

Dans une solution tampon, la valeur du pH est égale à la valeur du pKA du couple : pH = pKA.
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 pKA du couple CH3COOH / CH3COO à cette température.
b. Propriétés d'une solution tampon - Exemple

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.

1re expérience – Ajout d’eau
L’expérience

Schéma de l’expérience

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

Observation

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

Conclusion
Le pH d’une solution tampon ne varie pas par dilution. Le pH reste égal au pKA du couple contenu dans la solution.
2e et 3e expériences – Ajout d’acide fort ou de base forte
Les expériences

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·L1.

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·L1.

Observation

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

Conclusion
Le pH d’une solution tampon ne varie pas par ajout d’une petite quantité d’un acide fort ou d’une base forte. Le pH reste égal au pKA du couple contenu dans la solution.
Les propriétés d’une solution tampon consistent donc à maintenir le pH de la solution proche de la valeur du pKA du couple par ajout d’une petite quantité d’eau, d’acide fort ou de base forte. C’est l’effet tampon.
Remarque
L’effet tampon n’est pas valable lorsqu’on ajoute une petite quantité d’acide ou de base faible.
c. Applications - maintenir le pH constant
Les solutions tampons sont utilisées lorsqu’on cherche à maintenir constant le pH d’une solution.

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.

Exemples
  • Le couple H2PO / HPO (de pKA = 7,2 à 37 °C).
  • Le couple CO2H2O / HCO (de pKA = 6,1 à 37 °C).

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