16.5: Efficacité d'un tampon

Les solutions tampons n'ont pas le pouvoir illimité de maintenir un pH relativement constant. Au lieu de cela, la capacité d'une solution tampon à résister aux changements de pH dépend de la présence de quantités notables de son couple conjugué acide-base faible. Lorsqu'une quantité suffisante d'acide fort ou de base forte est ajoutée pour réduire considérablement la concentration de l'un ou l'autre des membres du couple tampon, l'action du tampon dans la solution est compromise.

Le pouvoir tampon est la quantité d'acide ou de base qui peut être ajoutée à un volume donné d'une solution tampon avant que le pH ne change de façon significative, généralement d'une unité. Le pouvoir tampon dépend des quantités d'acide faible et de sa base conjuguée qui se trouvent dans un mélange tampon. Par exemple, 1 L d'une solution qui est de 1,0 M d'acide acétique et de 1,0 M d'acétate de sodium a une capacité tampon supérieure à 1 L d'une solution qui est de 0,10 M d'acide acétique et de 0,10 M d'acétate de sodium même si les deux solutions ont le même pH. La première solution a un pouvoir tampon plus important car elle contient plus d'acide acétique et d'ions acétate.

Sélection de mélanges tampons appropriés

Il existe deux règles de base utiles pour sélectionner les mélanges tampons :

1. Un bon mélange tampon devrait avoir des concentrations à peu près égales de ses deux constituants. Une solution tampon a généralement perdu son utilité lorsqu'un constituant du couple tampon est inférieur à environ 10 % de l'autre.
2. Les acides faibles et leurs sels sont mieux comme tampons pour les pH inférieurs à 7 ; les bases faibles et leurs sels sont mieux comme tampons pour les pH supérieurs à 7.

Le sang est un exemple important de solution tamponnée, l'acide et l'ion qui sont les principaux responsables de l'action tampon étant l'acide carbonique, H₂CO₃, et l'ion bicarbonate, HCO₃⁻. Lorsqu'un ion hydronium est introduit dans la circulation sanguine, il est éliminé principalement par la réaction :

Un ion hydroxyde ajouté est éliminé par la réaction :

L'acide fort ou la base forte ajoutée est ainsi converti en acide ou en base beaucoup plus faible que le couple tampon (H₃O⁺ est converti en H₂CO₃ et OH⁻ est converti en HCO₃⁻). Le pH du sang humain reste donc très proche de la valeur déterminée par les pK_a des couples tampons, dans ce cas, 7,35. Les variations normales du pH sanguin sont généralement inférieures à 0,1 et les variations du pH de 0,4 ou plus sont susceptibles d'être fatales.

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

L'efficacité de tout tampon pour résister au changement de pH dépend du rapport de concentration de l'acide faible et de sa base conjuguée, ou base faible et son acide conjugué, ainsi que leurs concentrations absolues. La plage tampon est la plage de pH qui inhibe une augmentation ou une diminution significative du pH lors de l'addition d'un acide ou d'une base. La plage est d'une unité supérieure ou inférieure au pKa.

Par conséquent, pour être un tampon efficace, le rapport de l'acide faible à la base ou de la base faible à l'acide doit être compris entre 10 à 1 et 1 à 10. L'équation d'Henderson-Hasselbalch peut être résolu pour soutenir ces valeurs. Si la concentration de l'acide est dix fois supérieure à celle de la base, le pH sera inférieur de 1 unité au pKa.

En revanche, si la concentration de la base est dix fois supérieure à celle de l'acide, le pH sera 1 unité de plus que le pKa. Un tampon est le plus efficace au milieu de sa plage de tampons lorsque la concentration de l'acide faible et de la base conjuguée sont égaux et le pH est égal au pKa. Comme la différence entre les montants des augmentations d'acide et de base faibles, le tampon devient moins efficace.

Par conséquent, le tampon A, contenant 1 molaire chacun d'acide acétique et d'acétate, sera plus efficace que le tampon B, contenant 0, 1 molaire d'acide acétique et 1 molaire d'acétate. La concentration absolue d'un acide faible et de la base détermine également l'efficacité du tampon. Plus la concentration de l'acide et de la base faibles est élevée, l'acide ou la base plus fort qu'il peut neutraliser.

Par conséquent, un tampon avec 1 molaire chacun d'acide formique et de formiate est plus efficace qu'un tampon avec 0, 1 molaire chacun. La capacité tampon est la quantité d'un acide ou d'une base forte un tampon peut neutraliser avant une modification significative de son pH. Par conséquent, la capacité tampon augmente les deux avec des concentrations plus élevées d'un acide faible et sa base conjuguée et lorsque le rapport d'un acide faible à la base approche un.