À propos de cette expérience
Le sang, l’eau de mer et de nombreux médicaments doivent maintenir leur pH presque constant, même lorsque des acides ou des bases sont ajoutés. Ils y parviennent grâce à des tampons : des mélanges d’un acide faible et de sa base conjuguée. Ajoutez un peu d’acide fort et la base le neutralise ; ajoutez un peu de base forte et l’acide faible la neutralise. Ajoutez goutte à goutte de l’acide et de la base à un tampon et à de l’eau pure placés côte à côte, observez les couleurs des indicateurs et découvrez quand un tampon fonctionne bien et quand il est épuisé.
Objectifs pédagogiques
- Définissez un tampon comme une solution qui résiste aux variations de pH lorsque de petites quantités d’acide ou de base sont ajoutées.
- Expliquez comment un acide faible et sa base conjuguée éliminent les ions H⁺ et OH⁻ ajoutés.
- Calculez le pH d’un tampon à l’aide de l’équation de Henderson-Hasselbalch.
- Expliquez comment la concentration et le rapport base/acide influencent la capacité tampon.
- Choisissez un couple tampon adapté au pH visé à l’aide de son pKa.
Comment l’utiliser
- 1Ajoutez 1 mL d’acide cinq fois. Comparez les variations de pH dans le tampon et dans l’eau.
- 2Appuyez de nouveau sur « Start » et ajoutez 10 mL de base. De combien le pH varie-t-il dans chaque cas ?
- 3Continuez à ajouter de l’acide jusqu’à ce que le pH du tampon chute rapidement. Quelle quantité d’acide avait été ajoutée ? Comparez-la à la quantité de matière de base dans le tampon.
- 4Recommencez avec une concentration de tampon de 0,02 mol/L, puis de 0,4 mol/L. Lequel résiste le mieux aux variations ?
- 5Réglez le rapport base/acide sur 1 : 4, puis sur 4 : 1. Vérifiez le pH initial avec pH = pKa + log([base]/[acide]).
- 6Quel couple tampon utiliseriez-vous pour maintenir une solution autour de pH 7,4, comme le sang ?
Le modèle
Hypothèses
- Chaque bécher contient au départ 100 mL à 25 °C. On ajoute de l’HCl à 0,1 mol/L comme acide et du NaOH à 0,1 mol/L comme base, et le volume augmente au fur et à mesure des ajouts.
- Les concentrations sont utilisées à la place des activités, et une seule étape de dissociation de l’acide est prise en compte pour chaque couple tampon (pKa 4,76, 7,21 et 9,25).
- Le pH est déterminé en résolvant exactement le bilan des charges ; il reste donc correct lorsque le tampon est épuisé. La valeur obtenue avec Henderson-Hasselbalch est indiquée à titre de comparaison.
- L’eau a au départ un pH de 7,00 : le dioxyde de carbone dissous provenant de l’air est ignoré.
À essayer en classe
- Q1Pourquoi l’ajout de 1 mL de HCl à 0,1 M modifie-t-il le pH de l’eau d’environ 4 unités, mais celui d’un tampon de seulement 0,01 environ ?
- Q2Un tampon contient de l’acide éthanoïque à 0,05 mol/L et de l’éthanoate de sodium à 0,05 mol/L. Quel est son pH ?
- Q3Pourquoi un tampon est-il le plus efficace lorsque les concentrations en acide et en base sont égales ?
- Q4Expliquez pourquoi la dilution d’un tampon avec de l’eau modifie à peine son pH, mais réduit sa capacité tampon.
- Q5Le couple acide carbonique-hydrogénocarbonate maintient le pH du sang autour de 7,4. Que se passerait-il au pH sanguin lors d'un exercice intense sans ce système tampon ?
Foire aux questions
Un tampon est-il la même chose qu'une solution neutre ?
Non. Un tampon peut maintenir n'importe quel pH à proximité du pKa de son acide faible. Un tampon à l'éthanoate reste autour de pH 4,8 et un tampon à l'ammoniac autour de pH 9,3. Ce qui caractérise un tampon, c'est que le pH varie très peu, et non sa valeur.
Qu'est-ce que la capacité tampon ?
C'est la quantité d'acide ou de base forte que le tampon peut absorber avant que son pH ne varie de façon notable. Elle est maximale lorsque l'acide et la base sont présents à des concentrations égales, et augmente avec la concentration totale.
Pourquoi l'estimation de Henderson-Hasselbalch ne s'applique-t-elle plus lorsque le tampon est épuisé ?
L'équation nécessite la présence de l'acide et de la base. Dès que l'un des deux a entièrement réagi, le logarithme ne peut plus être calculé et le pH est déterminé par l'excès d'acide ou de base forte.