16.2: Solutions tampons

Une solution contenant des quantités suffisantes d'un couple acide-base conjugué faible est appelée une solution tampon. Les solutions tampons résistent à un changement de pH lorsque de petites quantités d'un acide fort ou d'une base forte sont ajoutées. Une solution d'acide acétique et d'acétate de sodium est un exemple de tampon qui se compose d'un acide faible et de son sel : CH₃COOH (aq) + CH₃COONa (aq). Un exemple de tampon qui consiste en une base faible et son sel est une solution d'ammoniac et de chlorure d'ammonium : NH₃ (aq) + NH₄Cl (aq).

Fonctionnement des tampons

Pour illustrer la fonction d'une solution tampon, considérons un mélange d'acide acétique et d'acétate de sodium en quantités à peu près égales. La présence d'un couple acide-base conjugué faible dans la solution confère la capacité à neutraliser des quantités modestes d'acide fort ou de base forte ajoutés. Par exemple, l'ajout d'une base forte à cette solution neutralise l'ion hydronium et déplace l'équilibre d'ionisation de l'acide acétique vers la droite, rétablissant partiellement la concentration de H₃O^{+ diminuée} :

De même, l'ajout d'un acide fort à cette solution tampon neutralisera l'ion acétate, déplaçant l'équilibre d'ionisation ci-dessus vers la droite et ramenant [H₃O⁺] à sa valeur d'origine. La figure 1 présente une illustration graphique des modifications apportées à la solution tampon lorsque de l'acide fort et de la base forte sont ajoutés. L'action tampon de la solution est essentiellement le résultat de la conversion de l'acide fort et de la base forte ajoutés en acide et en base faibles qui constituent le couple conjugué du tampon. L'acide et la base les plus faibles subissent seulement une légère ionisation, par rapport à l'ionisation complète de l'acide fort et de la base forte. Le pH de la solution change donc beaucoup moins que dans une solution sans tampon.

Figure 1. Action tampon dans un mélange d'acide acétique et de sel d'acétate.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 14.6 : Tampons.

Ajouter une petite quantité d'acide ou de base à une solution peut provoquer une diminution ou une augmentation significative du pH. Mais, de nombreux processus chimiques et biochimiques ont besoin d'un pH stable pour fonctionner. Les tampons peuvent empêcher un changement radical du pH d'une solution lorsque leur capacité tampon n'est pas dépassée.

Les tampons contiennent un acide faible et sa base conjuguée ou une base faible et son acide conjugué. Par exemple, le sang humain maintient son pH à près de 7, 4 avec un tampon composé d'acide carbonique, un acide faible, et les ions bicarbonate, sa base conjuguée. Les paires acide-base conjuguée forment des tampons car ils ne neutralisent pas leur acide ou base conjugué.

Par exemple, l'acide acétique et l'acétate ne peuvent pas réagir. Cependant, si l'acide acétique, un acide faible, et l'ammoniac, une base faible, sont ajoutés ensemble, ils réagiront pour former un sel acétate ammonium. Dans un tampon, l'acide faible neutralise toute base ajoutée en réagissant avec les ions hydroxyde produits, tandis que sa base conjuguée neutralise tout acide ajouté en réagissant avec des ions hydronium.

Un mécanisme similaire fonctionne dans le cas d'une base faible et son acide conjugué. Deux béchers, X et Y, contiennent le même volume de différentes solutions, chacune avec un pH de 7, 2. La solution dans le bécher X n'est pas tamponnée.

En revanche, la solution dans le bécher Y contient un tampon d'acide acétique-acétate. Si de l'acide chlorhydrique est ajouté au bêcher X, le pH de la solution chute soudainement, en raison de l'augmentation de la concentration d'ions hydronium. En revanche, la solution dans le bécher Y montre un pH presque constant lorsque l'acide chlorhydrique y est ajouté car l'un des composants du tampon, l'acétate, réagit avec l'acide chlorhydrique pour produire un ion chlorure et de l'acide acétique.

De même, si de l'hydroxyde de sodium est ajouté au bêcher X, le pH de la solution va soudainement augmenter en raison de l'augmentation de la concentration d'ions hydroxyde. D'autre part, la solution dans le bécher Y montre un changement minimal de pH lorsque l'hydroxyde de sodium y est ajouté, comme l'un des composants du tampon, l'acide acétique, réagit avec l'hydroxyde de sodium et produit de l'acétate de sodium et une molécule d'eau. Le tampon peut empêcher un changement radical du pH d'une solution tant que la concentration de la paire acide-base conjuguée dans une solution est plus élevée que l'acide ou la base fort ajouté.