Capacité tampon

Qu'est-ce que la capacité tampon ?

Commençons par définir ce que sont les tampons . Les tampons sont des solutions qui peuvent résister aux changements de pH lorsqu'on leur ajoute de petites quantités d'acides ou de bases. Les solutions tampons sont obtenues soit par la combinaison d'un acide faible et de sa base conjuguée, soit par la combinaison d'une base faible et de son acide conjugué.

Selon la définition de Bronsted-Lowry des acides et des bases, les acides sont des substances qui peuvent donner un proton, tandis que les bases sont des substances qui peuvent accepter un proton.

• Un acide conjugué est une base qui a gagné un proton, et une base conjuguée est un acide qui a perdu un proton.

$$HA+H_{2}O\rightleftharpoons H^{+}+A^{-}$$

Les tampons peuvent être caractérisés par leur domaine tampon et leur capacité.

Lorsque la concentration des composants du tampon est la même, le pH est égal au_pKa. Ceci est très utile car, lorsque les chimistes ont besoin d'un tampon, ils peuvent choisir le tampon qui a une forme acide dont le _pKa est proche du pH souhaité. En général, les tampons ont une plage de pH utile = _pKa ± 1, mais plus elle est proche du pKa de l'acide faible, mieux c'est !

Fig. 1 : Prévoir le pH d'un tampon, Isadora Santos - StudySmarter Original.

Pour calculer le pH d'un tampon, nous pouvons utiliser l'équation de Henderson-Hasselbalch.

$$pH=pKa+log\frac{[A^{-}]}{[HA]}$$

Où ,

• pKa_{est le} log négatif de la constante d'équilibre_Ka.
• [^A-] est la concentration de la base conjuguée.
• [HA] est la concentration de l'acide faible.

Prenons un exemple !

Supposons maintenant que nous ayons une solution tampon de 1 litre dont le pH est de 6. Lorsque tu ajoutes d'abord quelques moles de HCl, il se peut que le pH ne change pas, jusqu'à ce que le pH de la solution change d'une unité, passant de pH 6 à pH 7. La capacité d'un tampon à maintenir le pH constant après l'ajout d'un acide ou d'une base fort(e) est connue sous le nom de pouvoir tampon.

Le pouvoir tampon dépend de la quantité d'acide et de base utilisée pour préparer le tampon. Par exemple, si tu as une solution tampon d'un litre composée de 1 M _CH3COOH/1M _CH3COONaet une solution tampon d'un litre composée de 0,1 M _CH3COOH/0,1 M _CH3COONa, bien qu'elles aient toutes les deux le même pH, la première solution tampon aura un pouvoir tampon plus important car elle contient une plus grande quantité de _CH3COOHet de ^CH3COO-.

• Plus la concentration des deux composants est similaire, plus le pouvoir tampon est important.

• Plus la différence de concentration des deux composants est importante, plus le changement de pH qui se produit lorsqu'on ajoute un acide ou une base forte est important.

Le pouvoir tampon dépend également du pH du tampon. Les solutions tampons dont le pH correspond à la valeur pKa de l'acide (pH = pKa) ont le plus grand pouvoir tampon (c'est-à-dire que le pouvoir tampon est le plus élevé lorsque [HA] = [^A-]).

Détermination du pouvoir tampon

Maintenant, nous savons que le pouvoir tampon d'une solution dépend de la concentration des composants acide conjugué et base conjuguée de la solution, ainsi que du pH du tampon.

Un tampon acide aura un pouvoir tampon maximal lorsque :

1. Les concentrations de HA et de ^A- sont importantes.

2. [HA] = [^A-]

3. Le pH est égal (ou très proche) du _pKa de l'acide faible (HA) utilisé. Plage de pH efficace = _pKa ± 1.

Résolvons un problème !

Équation du pouvoir tampon

Nous pouvons utiliser l'équation suivante pour calculer la capacité tampon, β.

$$Buffer\\N- (\beta )=\left | \frac{\Delta n}{\Delta pH} \Ndroite |$$$

Où ,

• Δn = quantité (en mol) de l'acide ou de la base ajoutée à la solution tampon.
• ΔpH = changement de pH causé par l'ajout de l'acide ou de la base (pH final - pH initial).

Une autre équation vue dans le cadre du pouvoir tampon est l'équation de Van Slyke . Cette équation relie le pouvoir tampon à la concentration de l'acide et de son sel.

$$Maximum\capacité tampon (\beta )=2.3C_{total}\frac{Ka\cdot [H_{3}O^{+}]}{[Ka+[H_{3}O^{+}]]^{2}}$$.

où ,

• C est la concentration du tampon. _Ctotal = C _acide + C _{conj base}

• [^H3O+] est la concentration en ions hydrogène du tampon.

• _Ka est la constante de l'acide.

Calcul du pouvoir tampon

Maintenant, disons qu'on nous a donné une courbe de titrage. Comment pouvons-nous trouver le pouvoir tampon à partir d'une courbe de titrage ? Le pouvoir tampon est à son maximum lorsque pH = _pKa, ce qui se produit au point de demi-équivalence.

À titre d'exemple, examinons la courbe de titrage de 100 ml d'acide acétique 0,100 M qui a été titré avec du NaOH 0,100 M. Au point de demi-équivalence, le pouvoir tampon (β) aura une valeur maximale.

Exemples de pouvoir tampon

Le système tampon des bicarbonates a un rôle essentiel dans notre organisme. Il est responsable du maintien du pH sanguin à un niveau proche de 7,4. Ce système tampon a un pK de 6,1, ce qui lui confère un bon pouvoir tampon.

Si une augmentation du pH sanguin se produit, il y a alcalose, ce qui entraîne une embolie pulmonaire et une insuffisance hépatique. Si le pH sanguin diminue, il peut entraîner une acidose métabolique.