Les solutions tampons ont la propriété de fixer le pH du milieu où elles se trouvent à une valeur déterminée et de s'opposer à ses variations.

I Définition et préparation d'une solution tampon

Une solution tampon est une solution dont le pH varie peu lorsqu'on y ajoute une petite quantité d'acide fort, de base forte ou lorsqu'on la dilue de façon modérée.

Une solution tampon contient un acide faible HA et sa base conjuguée A⁻ en concentrations voisines : son pH est donc voisin du pK_A de ce couple.

Le pH d'une solution tampon contenant un mélange équimolaire d'un acide faible et de sa base conjuguée est égal au pK_A du couple correspondant. Son pouvoir tampon est alors maximal.

Il existe trois méthodes de préparation :

en réalisant un mélange équimolaire d'un acide faible et de sa base conjuguée ;

à partir d'un acide faible sur lequel on fait réagir une base forte pour former la base conjuguée A⁻ :

HA_(aq) + HO⁻_(aq) → A⁻_(aq) + H₂O_(ℓ) ;

à partir d'une base faible sur laquelle on fait réagir un acide fort pour former l'acide conjugué HA :

A⁻_(aq) + H₃O⁺_(aq) → HA_(aq) + H₂O_(ℓ).

Le couple acide-base est choisi de telle sorte que son pK_A soit proche du pH de la solution que l'on souhaite obtenir.

Les concentrations en acide faible et base faible doivent être au moins supérieures à 1,0 × 10⁻³ mol · L⁻¹ pour que la solution tampon soit efficace.

II Exemples

Les solutions étalons utilisées pour étalonner les pH-mètres sont des solutions tampons.

Dans le corps humain, le pH du sang est maintenu dans une plage très étroite autour de 7,4. Le tampon sanguin le plus important est le couple : dioxyde de carbone dissout/ion hydrogénocarbonate CO₂,H₂O_(aq)/HCO₃⁻_(aq) de pK_A = 6,3 à 37 °C.

Méthode

Préparation d'une solution tampon

On prépare une solution tampon en mettant dans un bécher 50,0 mL d'une solution d'ammoniaque NH₃ à 1,0 mol · L⁻¹ et 50,0 mL d'une solution de chlorure d'ammonium (NH₄⁺_(aq) + Cl⁻_(aq)) à 1,0 mol · L⁻¹ (pK_A (NH₄⁺/NH₃) = 9,26).

a. Calculer le pH de cette solution.

b. On ajoute au 100 mL de la solution tampon précédente, 100 mL de solution d'hydroxyde de sodium (Na⁺_(aq) + HO⁻_(aq)) à 1,0 × 10⁻¹ mol · L⁻¹ et on mesure un pH = 9,43. Expliquer pourquoi le pH augmente. Que montre cette expérience ?

c. On prépare cette même solution tampon en additionnant un volume V′ d'une solution d'acide chlorhydrique à 1,0 mol · L⁻¹ dans 50,0 mL d'une solution d'ammoniaque NH₃ à 1,0 mol · L⁻¹. Quel volume doit-on ajouter ? Justifier.

Conseils

a. Utilisez la relation $\text{pH}=\text{p}{K}_{\text{A}}+\text{log}\frac{{\left[{\text{A}}^{-}\right]}_{\text{éq}}}{{\left[\text{HA}\right]}_{\text{éq}}}$.

b. La réaction entre un acide faible et une base forte est une réaction totale.

c. La réaction entre une base faible et un acide fort est une réaction totale.

Solution

a. $\text{pH}=\text{p}{K}_{\text{A}}+\text{log}\frac{{\left[{\text{NH}}_3\right]}_{\text{éq}}}{{\left[{\text{NH}}_4^{+}\right]}_{\text{éq}}}$ ; on mélange les mêmes volumes de même concentration donc $[{\text{NH}}_3]=[{\text{NH}}_4^{+}]=\frac{C\times V}{2V}=\frac{C}{2}$. On a réalisé un mélange équimolaire en acide et base conjuguée donc pH = pK_A = 9,26.

b. L'ion hydroxyde HO⁻_(aq) est une base forte donc elle réagit avec l'acide NH₄⁺ par une réaction totale : NH⁺_4(aq) + HO⁻_(aq) → NH_3(aq) + H₂O_(ℓ).

La concentration en ion ammonium NH₄⁺ diminue et celle de NH₃ augmente et, de ce fait, le rapport $\frac{{\left[{\text{NH}}_3\right]}_{\text{éq}}}{{\left[{\text{NH}}_4^{+}\right]}_{\text{éq}}}$ augmente ainsi que le pH. On constate que la variation de pH est faible (de 9,26 à 9,43) ce qui confirme qu'une solution tampon a son pH qui varie peu avec un ajout de base forte.

c. La réaction étant totale, pour préparer un mélange équimolaire en NH₃ et NH₄⁺ il faut faire réagir la moitié de la quantité initiale de NH₃.

$n{\left({\text{H}}_3{\text{O}}^{+}\right)}_{\text{i}}=\frac{n{\left({\text{NH}}_3\right)}_{\text{i}}}{2}=\frac{\text{C}\times \text{V}}{2}=\text{C}\times \text{V′}$.

Donc V′ $=\frac{\text{V}}{2}$ = 25 mL.

Pour 50 mL de solution d'ammoniaque il faut ajouter 25 mL d'acide chlorhydrique de même concentration.