Chimie 5:
Chimie des solutions
Les solutions tampons

1. Les solutions tampons

Certaines solutions ont la propriété de maintenir un pH constant, malgré l'adjonction de petites quantités d'acide ou de base.

De telles solutions sont dites solutions tampons .

Il existe des solutions tampons qui fixent le pH en milieu acide ou basique.

De manière générale une solution tampon est constituée par un acide faible (ou une base faible) et sa base conjuguée (ou son acide conjugué) en quantité notable.

Le pH du sang par exemple est maintenu constant essentiellement grâce au tampon constitué par H2CO3 et sa base conjuguée HCO3-.

H₂CO3₃ + H₂O H₃O⁺ + HCO₃^-

En considérant cet équilibre, on voit, en se rappelant le principe de Le Chatelier , qu'une adjonction de protons va être absorbée par formation d'acide carbonique (H₂CO₃).

Au contraire l'ajout d'une base va former des cations H₃O⁺ à partir de l'acide carbonique.

2. Le pH des solutions tampons

Considérons un litre de solution contenant Ca moles d'un acide faible HA et Cb moles de sa base conjuguée sous forme d'un sel.

Nous avons:

HA + H₂O H₃O⁺ + A^-

Nous avons

[HA] = Ca et [A^-] = Cb donc

Ka = [A^-][H₃O⁺]/[HA] = [H₃O⁺] (Cb/Ca)

donc pH = pKa + log(Cb/Ca)

pH = pKa + log(Cb/Ca)

3. Variation du pH d'une solution tampon

Le log de la fraction varie peu si on varie les concentrations Ca et Cb :

Exemple:

Soit une mélange équimolaire de NH₄⁺ et de NH₃

À partir de la table, on ecrit:

pKa(NH₄⁺) = 9.22.

Le calcul du pH du mélange tampon est le suivant : pH = 9.2 + log 1 = 9.2

A ce point particulier, nous avons donc pH = pKa

Une adjonction d'une petite quantité de H₃O⁺ ou de HO^- ne modifie guère la valeur du pH:

Par exemple, si on ajoute 10% de HO^- au mélange (ce qui est déjà beaucoup) le pH varie de moins d'un dixième d'unité): pH = 9.2 + log (110/90) = 9.287.

Les tampons sont donc utilisés comme stabilisateurs de pH (certaines réactions doivent se dérouler à un pH déterminé), et comme étalon de pH (étalonnage des pH-mètres).

Ils ont aussi une grande importance biologique, le bon fonctionnement de l'organisme dépend d'un pH stable. Le pH du sang ne doit pas varier de plus de quelques dixièmes d'unités pH.

Annexe: Principe de Le Chatelier,

Rappelons le principe de Le Chatelier, énoncé de Henry Le Chatelier en 1884:

Si on tend à modifier les conditions d'un système en équilibre, il réagit de façon à s'opposer partiellement aux changements qu'on lui impose jusqu'à l'établissement d'un nouvel état d'équilibre.

Henry Louis Le Chatelier (1850 - 1936) est un chimiste français. Il est connu entre autres pour le principe des équilibres chimiques dit « principe de Le Chatelier» .