Tampons

Acides, bases et tampons

Tu te demandes peut-être ce que sont les tampons. Un tampon a la capacité de résister aux changements de pH lorsqu'on lui ajoute un acide ou une base.

Pour mieux comprendre la signification des tampons, rafraîchissons nos connaissances sur les acides et les bases en examinant leurs définitions. Les acides et les bases ont des définitions différentes, créées par différents chimistes et basées sur des propriétés différentes.

Les acides et les bases d'Arrhenius peuvent être divisés en fonction de leur dissociation dans l'eau. Les acides forts et les bases se dissocient complètement dans l'eau, tandis que les acides faibles et les bases se dissocient partiellement dans l'eau.

Importance des tampons en chimie

Lestampons sont très importants en chimie car de nombreuses réactions chimiques sont sensibles au pH, ce qui signifie qu'elles ne peuvent se produire (favorablement) que dans une plage de pH étroite.

Par exemple, la plupart des organismes aquatiques peuvent survivre dans une plage de pH comprise entre 6,5 et 8, et un pH en dehors de cette plage entraînerait des résultats négatifs tels qu'une diminution de la reproduction, l'apparition de maladies, voire la mort. Les changements de pH peuvent également affecter l'état chimique des polluants tels que le cuivre et l'ammoniac, entraînant une augmentation de la toxicité pour la vie aquatique.

Dans notre corps, le pH du sang doit être aussi proche que possible de 7,4, et toute modification du pH entraînant son augmentation ou sa diminution pourrait conduire à la mort. Notre plasma sanguin contient donc des tampons pour maintenir un pH sanguin constant et l'empêcher de devenir trop acide ou trop basique.

Exemples de tampons

• L'acide carbonique,_H2CO3,_est un acide faible qui se dissocie dans l'eau et forme des ions ^H+ et des ions ^HCO3-. Un exemple de tampon courant est une solutiontampon ^H2CO3/HCO3- . Ce système tampon acide faible/base conjuguée est très important pour notre corps car il maintient notre sang à un pH convenable d'environ 7,4. Il s'agit d'un tampon à peu près neutre puisqu'il a un pH supérieur à 7.
• Un autre tampon courant est le tampon acétate de sodium/acide acétique. Il est souvent utilisé par les chimistes en laboratoire car il s'agit d'un tampon légèrement acide. Son pH se situe entre 3,6 et 5.
• Enfin, voyons un tampon vraiment basique ; un tampon de carbonate de sodium/bicarbonate de sodium fonctionnerait autour d'un pH de 10.

Types de tampons

Tout d'abord, parlons de la composition d'un tampon. Les tampons sont composés de l'un ou l'autre des éléments suivants :

• Un acide faible + sa base conjuguée.

• Une base faible + son acide conjugué.

Une solution tampon peut être acide ou basique . La principale fonction d'un tampon est de maintenir la concentration des ions hydrogène (^H+) et hydroxyde (^OH-) à peu près la même, malgré l'ajout de substances acides ou basiques.

Lors de la création d'un tampon, le rapport idéal acide faible/base conjuguée ou base faible/acide conjugué est de 1 pour 1. Le fait d'avoir un rapport de 1 pour 1 permet au tampon d'avoir une capacité tampon maximale, c'est-à-dire la plus grande résistance aux changements de pH.

Tampons acides

Les tamponsacides sont des solutions tampons composées d'un acide faible et de sa base conjuguée.

Prenons l'exemple du HF, un acide faible (très mortel). Si nous voulions fabriquer une solution tampon contenant de l'acide fluorhydrique, nous devrions utiliser du HF et sa base conjuguée, l'anion fluorure. Mais comment ajouter le fluorure ?

Normalement, les acides/bases conjugués sont ajoutés à la solution sous forme de sels. Dans ce cas, un sel soluble tel que le fluorure de sodium pourrait être utilisé puisque le cation sodium n'aurait pas d'impact sur la solution(cation négligeable). Par conséquent, en préparant une solution contenant du HF et du fluorure de sodium, nous pourrions créer un tampon HF/NaF !

Lestampons empêchent la formation de grandes quantités de ^H+ et de OH- ^lorsque des acides ou des bases sont ajoutés. Ainsi, si tu ajoutes un acide fort ou une base forte à de l'eau contenant un tampon, les acides ne réagiront pas avec l'eau - ils réagiront plutôt avec le tampon et n'auront pas d'effet important sur le pH de la solution.

Ajout d'un acide à un tampon acide

Habituellement, lorsqu'un acide est ajouté à l'eau, il se dissocie et forme des ions ^H+. Cela diminue le pH d'une solution. Mais lorsqu'un acide est ajouté à de l'eau contenant un tampon acide, les protons (^ions H+) de l'acide réagissent avec les anions (^A-) formés par l'ionisation du sel et forment l'acide faible HA.

$H^{+}\left(aq\right)+A^{-}\left(aq\right)\underset{}{\underset{}{\rightleftharpoons }}HA\left(aq\right)$

Revenons à notre exemple concernant un tampon ^HF/F-.

Lorsqu'un acide est ajouté à une solution aqueuse contenant un ^tampon HF/F-, l'anion fluor (^F-) du tampon réagit avec les ions hydrogène de l'acide et forme HF.

• ^F- réagit avec l'acide parce que ^F- est considéré comme une meilleure base que l'eau et agira donc comme un accepteur de protons à la place de l'eau.

Ajout d'une base à un tampon acide

Lorsqu'une base est ajoutée à l'eau, elle forme des ^ions OH- qui entraînent une augmentation du pH de la solution. Mais lorsqu'un tampon est présent dans la solution,les ions hydroxyde (^OH-) réagissent avec l'acide faible de la solution tampon au lieu de réagir avec l'eau, formant ainsi de l'eau et des ions ^A-.

$$OH^{-}_{(aq)}+HA_{(aq)}\rightleftharpoons H_{2}O_{(l)}A^{-}_{(aq)}$$

Ainsi, lorsqu'une base est ajoutée à une solution aqueuse contenant un tampon acide ^HF/F-, le HF réagira avec les ions ^OH- et formera des ions ^F- à la place .

• Le HF agit comme acide (donneur de ^H+ ) au lieu de l'eau parce que le HF est un meilleur donneur de H+ que l'eau. au lieu de l'eau parce que le HF est un meilleur acide que l'eau !

Le _pKa des tampons acides

Lorsque tu as affaire à des tampons acides, tu dois connaître leur pKa ou _Ka pour pouvoir calculer le pH d'une solution tampon. Cependant, si tu as un rapport de un à un entre un acide faible et une base conjuguée, le pH de la solution tampon sera égal à son pKa_.

Le_{pKa d'}un tampon nous indique également la plage de pH du tampon. Par exemple, _CH3COOHa un pKa de 4,8, sa plage de tampons se situe donc entre 3,8 et 5,8 (± 1 unité de pH).

Tampons basiques

Lestampons basiques sont des solutions tampons composées d'une base faible et de son acide conjugué.

Comment fabrique-t-on une solution tampon contenant une base faible ? Pour fabriquer un tampon à l'aide d'une base faible, nous devons la mélanger avec son acide conjugué.

Parexemple, pour fabriquer un tampon à l'aide de NH3_, ilfaudraitajouter sa base conjuguée _NH4+ ^en ajoutant l'ion ammonium mélangé à la base conjuguée négligeable d'un acide fort . On peut donc ajouter _NH4Cl, _NH4Br, _NH4Iet d'autres à _NH3 pour obtenir une solution tampon.

Ajout d'un acide à un tampon basique

Imaginons que nous ayons un tampon base faible/acide conjugué contenant du NH3_et son acide conjugué, le ^NH4+. Si nous ajoutons un acide à ce tampon, que penses-tu qu'il se passera ? Si tu as deviné que les ions ^H+ de l'acide réagiraient avec NH3_pour former l'ion ammonium (^NH4+), alors tu es sur la bonne voie !

$$NH_{3\ (aq)}+H^{+}\rightleftharpoons NH_{4(aq)}^{+}$$$

En faisant réagir les ^H+ avec l'ammoniac plutôt qu'avec l'eau, le tampon empêche la formation d'ions ^H+ dans l'eau et maintient donc un pH constant.

• S'il n'y avait pas de tampon pour maintenir le pH après l'ajout d'un acide, le pH diminuerait en raison de l'augmentation de la concentration d'ions hydrogène dans l'eau.

Ajout d'une base à un tampon basique

D'autre part,si nous ajoutons une base au tampon ^NH3/NH4+, les ions ^OH- de la base réagissent avec l'ion ammonium du tampon pour former du _NH3 et du_H2O.

$$NH_NH_{4(aq)}^{+}+OH^{-}_{(aq)}\rightleftharpoons NH_{3\ (aq)}+H_{2}O_{(l)}$$

De même, en faisant réagir les ^OH- avec ^NH4+ au lieu de l'eau, le tampon empêche la formation de plus d'ions ^OH- dans l'eau, empêchant ainsi le pH d'augmenter ou de devenir plus basique.

L'équation des solutions tampons

Avant de nous plonger dans le calcul des tampons, passons en revue les bases du_{Ka. Ka} est la constante d'équilibre de la dissociation d'un acide faible (HA).

$$HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^{+}_{(aq)}+A^{-}_{(aq)}$$

_Ka peut être calculé en utilisant l'expression de l'équilibre. Dans ce cas, elle se présente comme suit :

$$K_{a}=\frac{[products]}{[reactants]}=\frac{[H^{+}][A^{-}]}{[HA]}$$

Il est assez facile de réarranger cette expression pour trouver H+ :

$$K_{a}\cdot \frac{[HA]}{[A^{-}]}=[H^{+}]$$

Maintenant, nous pouvons facilement résoudre la concentration d'ions hydrogène, mais il serait plus agréable de résoudre le pH, n'est-ce pas ? Prenons donc le logarithme négatif des deux côtés. N'oublie pas que le pH est simplement -log(H+) et que le pKa est -log(Ka) !

$$pH=-log([H^{+}])=-log(Ka\cdot \frac{[HA]}{[A^{-}]})=-log(Ka)-log(\frac{[HA]}{[A^{-}]})=pKa+log\frac{[A^{-}]}{[HA]}$$

Équation de Henderson-Hasselbalch

Voyons maintenant une équation impliquant des tampons. Lorsqu'il s'agit de tampons, nous pouvons utiliser l'équation de Henderson-Hasselbalch, qui est donnée ci-dessous. Il est important de savoir que nous ne pouvons utiliser cette équation que lorsque la solution contient à la fois un acide faible et sa base conjuguée.

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

Prenons un exemple !

Maintenant que tu en sais plus sur les tampons, tu devrais pouvoir résoudre de nombreux autres problèmes impliquant des tampons !