Mme Ndlih Boudiaf                                                                     boudiafmm@yahoo.fr                                                                   

CHAPITRE 9 
           Chimie des Solutions : Solution tampon 

Définition :
Dans le domaine de la chimie, la solution tampon correspond à un liquide permettant de conserver un pH, et ce, quels que soient les apports basiques, d'acides ou les dilutions pouvant être effectués. 
On parle de solution pseudo tampon lorsque l'un de ces trois paramètres n'est pas respecté. Pour être efficace, une solution tampon doit être constituée d'un acide faible HA et de son anion A- 1 ou d'une base faible B et de son cation BH+ 2.
 Il faut noter que le corps humain contient ce type de solution tampon qui revêt la forme de l'association H2CO3/HCO 3 -. Ce couple a pour propriété de maintenir un pH sanguin autour de 7,35.
Exemples de solutions tampons :
- mélange équimolaire de CH3COOH et CH3COONa.
- mélange équimolaire de NH3 et NH4Cl.
De nombreux milieux naturels sont tamponnés : le sang , la salive, les sucs gastriques, le lait…
une solution tampon est une solution qui résiste à la variation du pH lors de l'addition d'un acide fort ou d'une base forte
Composition d'une solution tampon:
une solution tampon est la solution aqueuse d'un acide faible et de sa base conjuguée
exemples de solutions tampon:
tampon acide éthanoïque / éthanoate            CH3COOH / CH3COO -
tampon ammonium / ammoniac                  NH4+ / NH3

-effet  d'addition d'un acide fort (libérant H3O +)
Exemples:
Tampon CH3COOH / CH3COO -
H3O + +  CH3COO - --->  CH3COOH + H2O
Tampon NH4+ / NH3
H3O + +  NH3 ---> NH4+ + H2O
les H3O + ajoutés au tampon sont captés par la base présente dans la solution tampon pour former l'acide faible conjugué à la base: le pH ne diminue que peu !
addition d'une base forte (libérant OH - )
Exemples:
Tampon CH3COOH / CH3COO -            OH - + CH3COOH --->  CH3COO - + H2O
Tampon NH4+ / NH3                        OH - +  NH4+ ---> NH3 + H2O
les OH - ajoutés au tampon sont captés par l'acide présent dans la solution tampon pour former la base faible conjuguée à l'acide: le pH n'augmente que peu !
Calcul du pH en fonction de la composition du mélange tampon:
entre l'acide faible et sa base conjuguée de la solution tampon existe l'équilibre:

expression du pH en fonction des quantités (nombre de moles n):

Remarque: les relations précédentes font intervenir les concentrations et les quantités présentes à l'équilibre. Vu que les acides et bases qui interviennent dans les tampons sont faibles (peu dissociés), les valeurs à l'équilibre ne diffèrent pas sensiblement des valeurs initiales à condition que la dilution ne soit pas trop forte.

Exemple :
Soit une solution tampon composée d'un mélange de 500 mL d'une solution d'acide éthanoïque à 0,40 mol.L-1 et de 500 mL d'une solution d'éthanoate de sodium (Na+ ,CH3COO- ) à 0,60 mol.L-1.                                    -Quel est son pH ? ( du couple acide éthanoïque / ion éthanoate vaut 4,80 )
L'addition des deux solutions fournit un litre de solution tampon contenant 0,20 mol d'acide éthanoïque et 0,30 mol d'ion éthanoate.                                En utilisant les notations ci-dessus, on a donc a = 0,20 et b = 0,30                      soit : La grandeur notée n vaut donc n = 1,06.10-5 mol.

Préparation d’une solution tampon

Lors d’un dosage acide faible - base forte ou acide fort - base faible, on constate que pour pH = pKa, il existe une zone (quelquefois appelée domaine de Henderson) où le pH est relativement constant.
 Pour préparer une solution tampon, on réalisera un mélange entre un acide faible et sa base conjuguée. La solution sera tamponnée à un pH égal au pKa du couple.

Exemple :
Une solution tampon composée d’acide acétique et d’acétate de sodium en quantités équimolaires a un pH = pKa (CH3COOH / CH3COO-) = 4,8.
Ces solutions se préparent :
par mélange équimolaire d’un acide faible et de sa base conjuguée, à partir de l’acide faible sur lequel on fait réagir une base forte pour former la forme basique conjuguée de l’acide faible, à partir de la base faible sur laquelle on fait réagir un acide fort pour former la forme acide conjuguée de la base faible.
Les concentrations en acide faible et base faible doivent être au moins supérieures à 1 mmol.L-1 pour que la solution tampon soit efficace.

 Préparation d’un mélange équimolaire
Si on dispose d’une solution d’acide faible de concentration CA et d’une solution de sa base conjuguée de concentration CB. On aura une solution tampon pour :
nA = nB       ou encore        CA.VA = CB.VB
Où VA et VB sont les volumes utilisés d’acide et de base pour préparer la solution tampon.
Application
Question :. Quel volume d’acide méthanoïque (CA = 100 mmol.L-1) et de méthaoate de sodium (CB = 300 mmol.L-1) pour préparer 1 L de solution tampon à pH = 3,8 ? Le pKa du couple est de 3,8.
Réponse. Il faut :
CA.VA = CB.VB   et    VA + VB = VT = 1L
Soit :
VA = CB.VB / CA  et    VA = CB.(VT - VA) / CA
Ou encore :
VA = CB.VT / (CA + CB) = 0,3 . 1 / (0,1 + 0,3) = 750 mL
Donc :
VB = VT - VA = 1000 - 750 = 250 mL