Sauter à un chapitre clé
Le tampon maintient le pH de l'estomac stable (ce dont nous parlerons également plus loin). Ce pH se situe entre 1,5 et 3,5. Il empêche l'acide gastrique de devenir trop acide, mais aussi de devenir si basique qu'il ne peut plus dissoudre les aliments. Dans cet article, nous allons nous plonger dans les tampons et voir leur préparation, leurs propriétés et leurs applications.
- Cet article porte sur les propriétés des tampons.
- Tout d'abord, nous aborderons les propriétés des tampons.
- Ensuite, nous utiliserons l'équation de Henderson-Hasselbalch pour calculer le pH d'une solution tampon.
- Par la suite, nous apprendrons ce qui se passe dans une solution tampon.
- Ensuite, nous nous pencherons sur la préparation des tampons.
- Enfin, nous verrons ce qui fait un bon tampon et les applications des tampons.
Mesures du pH et propriétés des tampons
J'ai beaucoup parlé des tampons et du pH, mais qu'est-ce que c'est ?
Un tampon (ou solution tampon) est une solution dont le pH ne change pas radicalement lorsqu'on y ajoute un acide ou une base. Le pouvoir tampon est la quantité d'acide ou de base qu'un tampon peut absorber avant que le pH ne change de manière significative.
Le pH mesure le degré d'acidité ou de basicité d'une solution. L'échelle du pH commence à 0 (le plus acide) et va jusqu'à 14 (le plus basique).
Maintenant que nous connaissons les définitions de base, abordons les propriétés des tampons.
Propriétés des tampons
Les tampons ont un ensemble de caractéristiques qui les identifient :
Un pH défini
Le pH ne change pas avec le temps
La dilution ne modifie pas le pH
Un léger changement de pH si l'on ajoute une petite quantité d'acide ou de base.
Une plage dans laquelle ils sont les plus efficaces
Comme mentionné précédemment, les tampons ont un pouvoir tampon, qui est la quantité d'acide/de base qui peut être ajoutée jusqu'à ce qu'un changement significatif du pH se produise. Généralement, nous considérons qu'il s'agit d'une variation d'une unité. (par exemple, de 3 à 4). La concentration d'un tampon détermine sa capacité. Plus la concentration augmente, plus on peut absorber d'acide/base jusqu'à ce qu'un changement important se produise.
Figure 1 : Capacité du tampon - plus la concentration est élevée, plus la capacité du tampon est grande. Study Smarter Orginal
Comme illustré ci-dessus, plus la concentration du tampon est élevée, plus sa capacité est grande. Le "pic" dans le graphique indique le moment où le pH commence à changer de façon significative (le tampon n'est plus aussi efficace). Après le pic, le tampon devient un tampon basique efficace.
Le domaine tampon est la plage de valeurs de pH où un tampon est le plus efficace. Les meilleures solutions ont un rapport de 50:50 entre l'acide et la base. En général, un tampon n'est pas efficace lorsque l'un des composants représente plus de 10 % de l'autre. Par exemple, on prépare un tampon contenant 0,1 M d'acide acétique (CH3COOH) et 0,008 M d'acétate (CH3COONa). Si l'on ajoute plus de base, le tampon sera "submergé" et le pH changera de manière significative.
Figure 2 : Une fois que le rapport base/acide est de 10:1, le pH commence à changer de manière significative lorsque l'on ajoute de la base. StudySmarter Original.
Au fur et à mesure que l'on ajoute de la base, l'acide acétique se transforme en acétate. Lorsqu'il y a un rapport de 10:1 entre l'acétate et l'acide acétique (indiqué par le point noir), le pH commence à changer de façon significative. Les données montrent que le tampon d'acide acétique perd de son efficacité autour de pH = 6.
Mesures du pH et équation de Henderson-Hasselbalch
Nous mesurons le pH d'un tampon à l'aide de l'équation de Henderson-Hasselbalch.
L'équation de Henderson-Hasselbalch permet de mesurer le pH d'un tampon. La formule est la suivante : $$pH=pK_a+log_{10}(\frac{[A^-]}{[HA]})$$
pKa: logarithme négatif de la constante de dissociation de l'acide (Ka)
[A-] : concentration de la base conjuguée
[HA] : concentration de l'acide
La constante de dissociation de l'acide mesure la force d'un acide. Une constante plus grande signifie que l'acide est plus fort. Pour une réaction générale : $$HA+B\leftrightarrow A^-+HB$$.
La formule de la constante de dissociation de l'acide est:$$K_a=\frac{[A^-][HB]}{[HA][B]}$$.
Nous mesurons le pH pour voir si notre tampon "fonctionne". Si nous ajoutons un acide ou une base, nous voulons nous assurer que le changement de pH est minimal, sinon nous changerons de tampon.Disons que nous avons une solution tampon de CH3COOH(acide faible) et de CH3COONa(base conjuguée). L'équilibre de notre acide est le suivant : $$CH_3COOH\leftrightarrow CH_3COO^-+H^+$$$.
Lorsqu'on ajoute un acide fort, ses ions H+ se combinent avec les ions CH3COO- et reforment l'acide faible. Cela "neutralise" l'acide, empêchant un changement important du pH.
Quel est le pH de la solution si l'on combine 0,26 mole de CH3COOHet 0,23 mole de CH3COONa, avec un volume total de 4 L ? Quel est le nouveau pH et le changement de pH si l'on ajoute 0,14 mol de HCl, ce qui donne un volume total de 5 L ?Ka = 1,75 X 10-5.
Nous devons d'abord calculer le pH. Pour obtenir la concentration de notre acide/base, nous divisons le nombre de moles par le volume total de chacun :
\([CH_3COOH]=[HA]=(0.26\,mol\,4)=0.065\,M\)
\([CH_3COONa]=[A^-]=(0.23\,mol/4)=0.0575\,M\)
Nous allons maintenant convertir leKa en pKa:
\N(pK_a=-log[K_a]\N)
\(pK_a=-log[1.75X10^-5]=4.76\)
Nous introduisons ces valeurs dans notre équation principale :
\(pH=pK_a+log_{10}(\frac{[A^-]}{[HA]})\)
\(pH=4.76+log_{10}(\frac{[0.0575\,mol]}{[0.065\,mol]})\)
\N(pH=4,71\N)
Pour la deuxième partie du problème, nous devons calculer les nouvelles concentrations de l'acide et de la base. La concentration de la base est la quantité molaire divisée par le nouveau volume. La concentration en acide est égale aux moles d'acide faible plus les moles d'acide fort divisées par le volume.
\([HA]=[HCl]+[CH_3COOH]=(0.26\,mol+0.14\,mol)/5L=0.08\,M\)
\([A^-]=[CH_3COONa]=(0.23\,mol/5\,L)=0.046\,M\)
Nous introduisons ces concentrations dans l'équation :
\(pH=pK_a+log_{10}(\frac{[A^-]}{[HA]})\)
\(pH=4.76+log_{10}(\frac{[0.046\,mol]}{[0.08\,mol]})\)
\(pH=4.52\)
Notre changement de pH est :
\(4.71-4.52=0.19\)
Malgré l'ajout d'un acide fort, le pH n'a pas beaucoup changé.
Structure et propriétés des tampons de pH de l'eau
Il existe deux types de tampons : les acides faibles + leur base conjuguée, ou les bases faibles + leur acide conjugué. Les tampons sont des solutions aqueuses (dissoutes dans l'eau).
L'exemple précédent était un acide faible et sa base conjuguée. (acide acétique/acétate). Nous avons vu ce qui se passe lorsqu'on ajoute un acide fort à ce type d'acide, mais qu'en est-il d'une base forte ?
\N(CH_3COOH\Nflèche à gauche CH_3COO^-+H^+\N)\N(CH_3COOH\Nflèche à droite CH_3COO^-+H^+\N)
\(CH_3COOH+OH^-\flèche à gauche CH_3COO^-+H_2O\)
La base ajoute des ions OH- qui réagissent avec l'acide faible pour produire de l'eau, de sorte que le pH reste inchangé.
Passons maintenant aux paires base faible/acide conjugué. La principale différence entre les deux types est qu'il y a un équilibre de base faible au lieu d'un équilibre d'acide faible. Prenons l'exemple du couple NH4OH/NH4Cl. L'équation d'équilibre est la suivante :
$$NH_4OH\leftrightarrow NH_4^+ + OH^-$$.
Si l'on ajoute un acide, les ions H+ se combinent avec la base faible pour former de l'eau
$$NH_4OH+H^+\flèche à gauche NH_4^+ +H_2O$$$
Lorsqu'on ajoute une base, les ions OH- réagissent avec les ions NH4+ pour former la base faible.
$$NH_4^+ + OH^-\flèche à gauche NH_4OH^+$$$
Détermination des indicateurs appropriés et préparation et propriétés des tampons
Maintenant que nous avons abordé le fonctionnement d'un tampon, nous allons voir comment fabriquer et choisir un tampon.
Déterminer un tampon approprié
Lorsque tu choisis un tampon, tu dois t'assurer qu'il peut tamponner le système que tu veux. La gamme de tampons doit couvrir le pH que tu souhaites stabiliser. Voici quelques tampons courants :
| Tampon | pKa | Plage de pH |
| Acide phosphorique | 2.1 | 1.1-3.1 |
| Acide formique | 3.8 | 2.8-3.8 |
| Acide acétique | 4.8 | 3.8-5.8 |
| Acide carbonique | 6.4 | 5.4-7.4 |
| Phosphate | 7.2 | 6.2-7.2 |
| Bicarbonate | 10.3 | 9.3-11.3 |
Par exemple, si tu veux garder un système neutre (pH=7), tu choisiras le tampon phosphate (phosphate + acide phosphorique).
Préparation d'une solution tampon
Une fois que tu as choisi ton tampon, tu peux préparer la solution. Voyons les différentes étapes :
Étape 1 : Utilise l'équation de Henderson-Hasselbalch pour calculer la concentration acide/base.
Insère ton pH désiré et le pKa du tampon dans l'équation, en résolvant le rapport entre la base et l'acide.
Calcule le rapport formate/acide formique nécessaire pour que le tampon maintienne le pH à 3,2. pKa=3,8.
Nous introduisons nos valeurs dans l'équation de Henderson-Hasselbalch et résolvons le rapport entre l'acide et la base.
\(pH=pK_a+log_{10}\frac{[A^-]}{[HA]}\)
\(3.2=3.8+log_{10}\frac{[formate]}{[formic\,acid]}\)
\(-0.6=log_{10}\frac{[formate]}{[formic\,acid]}\)
\(10^{-0.6}=\frac{[formate]}{[formic\,acid]}\)
\(\frac{[formate]}{[formic\,acid]}=0.251\)
Étape 2 : Mélanger les quantités nécessaires d'acide/base faible avec sa base/acide conjugué.
La base conjuguée peut être ajoutée directement à l'acide ou une base forte peut être ajoutée à l'acide faible, le transformant partiellement en base conjuguée (la même chose peut être faite avec un acide fort + une base faible).
En reprenant le problème précédent, si le tampon doit être de 0,20 M et de 100,0 mL, combien de grammes de formiate (CHO2) et d'acide formique (CH2O2) doivent être combinés ?
Tout d'abord, nous calculons la quantité molaire totale.
\(100.0\,mL*\frac{1\,L}{1000\,mL}=0.1\,L\)
\(\frac{0.20\,mol}{L}*0.1\,L=0.020\,mol\)
Cela signifie que la somme des moles d'acide et de base est égale à 0,020. Le rapport entre la base et l'acide est de 0,251, nous l'utilisons donc pour résoudre chaque quantité molaire.
\([formate]+[formic\,acid]=0.020\,mol\)
\(\frac{[formate]}{[formic\,acid]}=0.251\)
\([formate]=0.251[formic\,acid]\)
Nous substituons cette expression dans la première équation et résolvons les moles de base
\([formate]+[formic\,acid]=0.020\,mol\)
\(0.251[formic\,acid] +[formic\,acid]=0.020\,mol\)
\(1.251[formic\,acid]=0.020\,mol\)
\([formic\,acid]=0.0160\,mol\)
\([formate]+[formic\,acid]=0.020\,mol\)
\([formate]+0.0160=0.020\,mol\)
\([formate]=0.004\,mol\)
Notre dernière étape consiste à convertir les moles en grammes. Pour ce faire, nous calculons la masse molaire de chaque espèce et la multiplions par nos quantités molaires.
Commençons par l'acide formique (CH2O2). Calculons d'abord sa masse molaire :
\(H:\frac{1.01\,g}{mol}\)
\(C:\frac{12.01\,g}{mol}\)
\(O:\frac{16.00\,g}{mol}\)
\(12.01+2(16.00)+2(1.01)=\frac{46.03\,g}{mol}\)
Comme le formiate (CHO2) n'est autre que l'acide formique moins un hydrogène, nous soustrayons la masse d'un hydrogène de la masse molaire de l'acide formique pour obtenir celle du formiate.
\(46.03-1.01=\frac{45.02\,g}{mol}\)
Enfin, nous multiplions les quantités molaires par leurs masses molaires pour les convertir en grammes.
\(0.0160\,mol*\frac{46.03\,g\,CH_2O_2}{mol}=0.736\,g\,CH_2O_2\)
\(0.004\,mol*\frac{45.02\,g\,CHO_2}{mol}=0.18\,g\,CHO_2\)
Étape 3 (facultative) : Ajuste le pH.
Lors d'une expérience, il peut y avoir une erreur qui fait que le pH est légèrement différent. À l'aide d'un pH-mètre, tu peux surveiller le pH pendant que tu ajoutes de petites quantités d'acide fort ou de base forte pour obtenir le pH désiré.
Caractéristiques d'un bon tampon
Qu'est-ce qui fait qu'un tampon est "bon" ?
- [HA] = [A-]. Le logarithme de l'équation de Henderson-Hasselbalch est égal à zéro, le pH = pKa. Cela signifie que le système peut absorber de manière égale les acides et les bases.
- Si le pH souhaité est basique, alors une base faible + son acide sont les plus efficaces. C'est l'inverse pour les acides.
- Le pH souhaité se situe dans la plage du tampon
Applications d'une solution tampon
Les tampons ont plusieurs applications. Les enzymes doivent être maintenues dans une plage de pH spécifique, sinon elles se dégradent et perdent leur utilité ; le corps utilise donc des tampons pour stabiliser le pH. Les tampons sont également importants dans la fabrication et l'industrie. Ils sont utilisés pendant la fermentation et la production de produits tels que les encres, les teintures et le papier. Ils sont également importants pour la conservation des aliments.
Propriétés des tampons - Principaux enseignements
- Un tampon (ou solution tampon) est une solution dont le pH ne change pas radicalement lorsqu'on y ajoute un acide ou une base. Le pouvoir tampon est la quantité d'acide ou de base qu'un tampon peut absorber avant que le pH ne change de manière significative.
- Le pH mesure le degré d'acidité ou de basicité d'une solution. L'échelle du pH commence à 0 (le plus acide) et va jusqu'à 14 (le plus basique)
- La plage de tampons est la plage de valeurs de pH où un tampon est le plus efficace.
- Les tampons neutralisent les acides et les bases en réagissant avec eux pour former soit de l'eau, soit l'acide ou la base faible, selon le système.
- L'équation de Henderson-Hasselbalch permet de mesurer le pH d'un tampon. La formule est la suivante : $$pH=pK_a+log_{10}(\frac{[A^-]}{[HA]})$$.
- Pour préparer un tampon, nous utilisons l'équation de Henderson-Hasselbalch pour calculer le rapport nécessaire entre la base et l'acide. Ce rapport permet de calculer la quantité d'acide/base faible et de son conjugué qu'il faut mélanger.
- Les tampons ont de nombreuses applications, comme le maintien de la stabilité des enzymes, la fabrication et l'analyse chimique.
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