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Dans cet article, nous en apprendrons plus sur les tampons et sur leur fonctionnement à l'aide des réactions acido-basiques.
- Cet article est consacré aux réactions acido-basiques et aux tampons.
- Nous allons d'abord définir ce que sont ces termes et voir à quoi ressemblent les réactions acido-basiques.
- Ensuite, nous découvrirons les différents types de solutions tampons et nous verrons comment elles fonctionnent.
- Enfin, nous apprendrons à calculer le pH des solutions tampons à l'aide de l'équation de Henderson-Hasselbalch et nous donnerons quelques exemples.
Définition des réactions acido-basiques et des tampons
Pour commencer, examinons la définition d'une réaction acido-basique et d'une solution tampon.
Dans une réaction acido-basique, un acide donne un proton (ion H+ ) à une base, qui l'accepte. Ces réactions entraînent une modification du pH, qui mesure le degré d'acidité ou de basicité d'une solution : l'échelle du pH va de 0 (la plus acide) à 14 (la plus basique).
Un tampon est une solution qui résiste aux changements de pH. La solution est un mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée (la base qui résulte de la perte d'un proton par l'acide) ou d'une base faible et de son acide conjugué (l'acide qui résulte de la perte d'un proton par la base).
Maintenant que nous avons abordé les définitions de base, voyons à quoi ressemblent les réactions acide-base !
La définition que nous utilisons pour les réactions acido-basiques est basée sur la définition des acides et des bases de Brønsted-Lowry . Il existe une deuxième classification appelée acides et bases de Lewis. Dans ces réactions acido-basiques, les électrons sont donnés à la place des protons.
Équations des réactions acido-basiques
Les réactions acide-base suivent une structure de base : $$HA + B \rightarrow A^- + HB$$.
Ici, HA est notre acide, qui donne un proton à la base B. Le symbole A- est la base conjuguée et HB est l'acide conjugué.
Bien que toutes les réactions acido-basiques suivent cette même structure, la réaction est légèrement différente selon la force de l'acide et/ou de la base. Les acides forts et les bases fortes se dissocient complètement. En voici un exemple :
$$HCl \rightleftharpoons H^+ + Cl^-$$
L'acide chlorhydrique (HCl) est un acide fort, il se dissocie donc complètement en ses ions : H+ et Cl-. Après la dissociation, la concentration des ions est égale à la concentration initiale de l'acide fort/de la base forte.
Les acides/bases faibles fonctionnent différemment car ils ne se dissocient pas complètement. Voici un autre exemple : $$CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$$.
L'acide acétique est un acide faible, il ne se dissocie donc que partiellement en un ion H+ et la base conjuguée. Comme la dissociation n'est pas complète, tu auras toujours l'acide faible, et à une concentration beaucoup plus élevée que ses ions.
Voici un schéma pour t'expliquer :
Fig. 1 - Les acides forts se dissocient complètement, tandis que les acides faibles ne se dissocient que partiellement.
Lorsqu'un acide fort (ou une base), se dissocie, il sera complètement transformé en ses ions. Pour un acide ou une base faible, en revanche, il n'y a qu'une conversion partielle.
La différence dans le fonctionnement de ces réactions explique pourquoi les tampons sont fabriqués à partir d'acides et de bases faibles et non de bases fortes.
Types de solutions tampons
Avant de voir pourquoi les solutions tampons utilisent des acides/bases faibles, parlons des différents types de bases. Il existe deux types de solutions tampons :
- Les solutions tampons acides
- Les solutions tampons alcalines
Lessolutions tamponsacides sont utilisées dans les systèmes dont le pH est inférieur à 7 (c'est-à-dire les systèmes acides). Elles sont composées d'un acide faible et de sa base conjuguée. Les solutions tamponsalcalines sont utilisées dans les systèmes dont le pH est supérieur à 7 (solutions basiques). Elles sont composées d'une base faible et de son acide conjugué.
Voici un tableau de quelques tampons courants :
| Nom du tampon | Formule chimique du tampon | Type de tampon | pKa |
| Acide fluorhydrique/fluorate de sodium | HF/NaF | Acide | 3.8 |
| Phosphate/Acide phosphorique | H2PO4-/H3PO4 | Alcalin | 12.4 |
| Ammoniac/Ammonium | NH4+/NH3 | Alcalin | 9.3 |
| Acide acétique/Acétate | CH3COOH/CH3COO- | Acide | 4.8 |
| Acide nitreux/Nitrite de sodium | HNO2/NaNO2 | Acide | 3.2 |
| Bicarbonate/Acide carbonique | HCO3-/H2CO3 | Alcalin | 10.3 |
Maintenant que nous en connaissons les différents types, nous pouvons apprendre comment les solutions tampons maintiennent le pH stable.
Réaction de neutralisation des acides et des bases pour les tampons
Le but d'un tampon est de neutraliser autant que possible tout acide ou base ajouté, c'est pourquoi ces tampons participent à des réactions de neutralisation.
Uneréaction de neutralisation est une réaction entre un acide et une base qui produit de l'eau et un sel. L'acide et la base "s'annulent" mutuellement, de sorte que les produits ont un pH neutre (7).
Les réactions qui se produisent dépendent de ce qui est ajouté au système tampon. Commençons par examiner les tampons acides. Le système que nous allons utiliser est l'acide acétique/acétate (HC2H3O2/C2H3O2-).
Lorsqu'une base forte est ajoutée, le OH- sera neutralisé par l'acide faible :
$$HC_2H_3O_2 + OH^-\circuit H_2O + C_2H_3O_2^-$$$.
Le tampon "absorbe" les ions OH-, de sorte que le pH ne change pas beaucoup.
Lorsqu'on ajoute un acide fort, les ions H+ se combinent avec la base conjuguée pour reformer l'acide faible : $$H^+ + C_2H_3O_2^-\rightarrow HC_2H_3O_2$$.
Voici un graphique qui montre ce qui se passe en solution :
Fig. 2 - Les effets de l'ajout d'un acide fort ou d'une base forte sur un système tampon.
La formation de l'acide faible/de la base conjuguée ne modifiera que légèrement le pH, en raison de leur faiblesse. Cependant, s'il s'agissait d'un acide ou d'une base forte , ce serait une autre histoire. C'est pour cette raison que les tampons sont fabriqués à partir d'acides et de bases faibles.
Les tampons alcalins fonctionnent de la même manière puisqu'ils contiennent également un acide faible et une base faible.
pH de la solution tampon
Nous savons que les tampons sont conçus pour maintenir le pH stable, mais le pH sera toujours légèrement modifié lorsqu'un acide fort ou une base forte est ajouté. Pour mesurer le pH d'une solution tampon, nous utilisons l'équation de Henderson-Hasselbalch( ) .
L'équation de Henderson-Hasselbalch mesure le pH des systèmes tampons. La formule est la suivante : $$pH=pK_a+log(\frac{[A^-]}{[HA]})$$
où [A-] est la concentration de la base, [HA] est la concentration de l'acide et pKa est le logarithme négatif deKa, la constante de dissociation de l'acide.
Laconstante de dissociation de l'acide (Ka) mesure la force d'un acide. Plus laKa est grande, plus l'acide est fort. Pour une réaction générale
$$HA \rightleftharpoons A^- + H^+$$$
La formule deKa est la suivante :
$$K_a=\frac{[A^-][H^+]}{[HA]}$$
Travaillons sur un exemple de problème rapide.
Quel est le pH d'une solution tampon de 0,2 M d'acide acétique (CH3COOH) / 0,15 M d'acétate (CH3COO-) si le pKa de l'acide acétique est de 4,8 ?
Tout ce qu'il nous reste à faire, c'est de brancher ces valeurs dans notre équation. Ici, l'acétate est la base, il sera donc au numérateur.
$$ p\,H = pK_a+log( \frac{[A^-]} {[HA]} ) $$ $$ p\,H = 4.8+log(\frac{[0.15\,M]}{[0.2\,M]}) $$ $$ p\,H = 4.8-0.125 $$ $$ p\,H = 4.675 $$
Lorsque les concentrations de l'acide et de la base sont égales, le logarithme est égal à zéro. Cela signifie que le pKa= pH
La concentration de l'acide et de la base indiquée dans l'équation est la concentration totale , pas seulement celle du tampon. Ainsi, si du HCl est ajouté à un échantillon de tampon, la concentration de l'acide sera la somme des concentrations de la base faible et du HCl. Dans la section suivante, nous allons parcourir ce type d'exemples.
Exemples de réactions acido-basiques et de tampons
Maintenant que nous savons comment calculer le pH des solutions tampons, nous pouvons apprendre à calculer le pH lorsqu'un acide ou une base forte est ajouté. Voyons ensemble quelques exemples.
Une solution tampon de 1,0 L composée de 0,20 mol d'acide fluorhydrique (HF) et de 0,20 mol de fluorure de sodium (NaF) est utilisée pour maintenir stable le pH d'un système acide. Quel est le pH lorsque l'on ajoute 0,15 mol de HCl, ce qui porte le volume total à 1,2 L ? Le pKa de HF est de 3,8.
Comme indiqué précédemment, nous calculons le pH en utilisant la concentration totale de l'acide et de la base. Tout d'abord, nous pouvons calculer la concentration de la base, qui est simplement la quantité molaire divisée par le (nouveau) volume total.
$$\frac{0.20\,mol}{1.2\,L}=0.167\,M\,A^-$$
J'ai appelé l'acide et la base HA et A- au lieu de leurs noms, car c'est dans ces termes que l'équation de Henderson-Hasselbalch est formulée.
Ensuite, nous calculons le volume de l'acide. Pour ce faire, nous additionnons les quantités molaires de HF et de HCl, puis nous divisons cette somme par le volume.
$$\frac{0.20\,mol+0.15\,mol}{1.2\,L}=0.29\,M\,HA$$
Il suffit maintenant de brancher ces valeurs dans notre équation pour obtenir le pH du système lorsque le HCl est ajouté.
$$ pH=pK_a+log(\frac{[A^-]}{[HA]}) $$ $$ pH=3,8+log(\frac{[0,167\,M]}{[0,29\,M]}) $$ $ pH=3,8-0,24 $$ $$ pH=3,56 $$
Essayons maintenant un exemple dans lequel une base est ajoutée.
Une solution tampon de 1,6 L contenant 0,35 mol d'ammoniac (NH3)/ammonium (NH4Cl) est utilisée pour maintenir stable le pH d'un système basique. Quel est le pH lorsque l'on ajoute 0,22 mol de NaOH, ce qui porte le volume total à 2,0 L ? Le pKa de l'ammonium est de 9,3.
Comme précédemment, nous devons calculer la concentration de l'acide et de la base. La concentration de l'acide est simplement la quantité molaire d'ammonium divisée par le volume total, tandis que la concentration de la base est la somme des quantités molaires d'ammoniac et de NaOH divisée par le volume.
$$\frac{0.35\,mol}{2.0\,L}=0.175\,M\,HA$$ $$\frac{(0.35\,mol+0.22\,mol)}{2.0\,L}=0.285\,M\,A^-$$
Maintenant, nous introduisons ces informations dans l'équation et nous résolvons le pH.
$$pH=pK_a+log(\frac{[A^-]}{[HA]})$$ $$pH=9.3+log\frac{[0.285\,M]}{[0.175\,M]}$$ $$pH=9.3+0.21$$ $$pH=9.51$$
Faisons un autre problème. Cette fois, nous allons calculer la variation du pH.
Une solution tampon de 2,3 L composée de 0,25 mol d'acide nitreux (HNO2)/ 0,23 mol de nitrite de sodium (NaNO2) est utilisée pour maintenir stable le pH d'un système acide. Quel est le changement de pH si l'on ajoute 0,17 mol de LiOH au système, ce qui porte le volume total à 2,8 L ? Le pKa de l'acide nitreux est de 3,16.
Puisque nous voulons connaître le changement de pH, nous devons calculer le pH avant et après l'ajout de la base. Nous devons d'abord obtenir les concentrations de l'acide et de la base avant l'ajout de LiOH : $$\frac{0.25\,mol}{2.3\,L}=0.109\,M\,HA$$$.
$$frac{0.23\N,mol}{2.3\N,L}=0.100\N,M\N,A^-$$ Maintenant nous calculons le pH
$$pH=pK_a+log(\frac{[A^-]}{[HA]})$$ $$pH=3.16+log\frac{[0.100\,M]}{[0.109\,M]}$$ $$pH=3.16-0.037$$ $$pH=3.123$$
Nous devons maintenant résoudre le pH du système une fois que le LiOH a été ajouté. Comme précédemment, la concentration de la base est égale à la somme des quantités molaires de LiOH et de NaNO2 divisée par le nouveau volume total. $$\frac{0.25\,mol}{2.8\,L}=0.089\,M\,HA$$ $$\frac{(0.17\,mol+0.23\,mol)}{2.8\,L}=0.14\,M\,A^-$$
Calculons maintenant le nouveau pH : $$pH=pK_a+log(\frac{[A^-]}{[HA]})$$$pH=3.16+log\frac{[0.14\N,M]}{[0.089\N,M]}$$$pH=3.16+0.20$$$$pH=3.36$$.
Enfin, nous devons calculer le changement de pH en soustrayant le pH d'origine du nouveau pH. $$3.36-3.123=0.237$$
Maintenant, j'espère que tu es plus confiant dans ta compréhension des réactions acido-basiques et des tampons !
Réactions acido-basiques et tampons - Principaux enseignements
- Dans une réaction acido-basique, un acide donne un proton (ion H+) à une base, qui l'accepte. Ces réactions impliquent un changement de pH, qui est une mesure du degré d'acidité ou de basicité d'une solution, de 0 (la plus acide) à 14 (la plus basique).
- Un tampon est une solution qui résiste aux changements de pH.
- La solution est un mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée (la base qui résulte de la perte d'un proton par l'acide) ou d'une base faible et de son acide conjugué (l'acide qui résulte de la perte d'un proton par la base).
- Il existe deux types de tampons :
- Les solutions tampons acides : utilisées dans les systèmes dont le pH est inférieur à 7.
- Les solutions tampons alcalines : utilisées dans les systèmes dont le pH est supérieur à 7.
- L'équation de Henderson-Hasselbalch mesure le pH des systèmes tampons. La formule est la suivante : \(pH=pK_a+log(\frac{[A^-]}{[HA]})\), où [A-] est la concentration de la base, [HA] est la concentration de l'acide, et pKa est le logarithme négatif de Ka la constante de dissociation de l'acide.
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