ISSTE Borj Cédria Mr. H.Abbassi 1CE/PC : 2022-2023 Manipulation 2 : Etude de Solution Tampon -Introduction Lorsqu’on ajoute à l’eau pure un acide fort ou base forte, meme en très faible quantité, le pH varie très rapidement. Par contre, il existe des solutions qui ne subissent que de faibles variations de pH lorsqu’on leur ajoute de petites quantités d’acide ou de base. De telles solutions sont appelées solutions tampon. -Exemple : à un volume d’eau pure, de pH = 7, on ajoute une quantité d’une solution d’acide nitrique pour que le pH devienne égal à 2, soit une variation de 5 unités de pH. L’addition de la meme quantité de HNO3 à un meme volume d’une solution (S) équimolaire d’acide acétique (CH3COOH) et d’acétate de sodium (CH3COONa) fait varier le pH de 0,09 unités de pH uniquement. L’effet tampon de ces solutions s’explique par le fait qu’elles comportent deux constituants : -L’un susceptible de capter des protons (une base faible comme CH3COO- par exemple) et modérer ainsi l’effet des H3O+ ajoutés. -L’autre susceptible donné des protons (acide faible comme CH3COOH par exemple) pour modérer l’effet des OH- ajoutés) [base] On rappelle que le pH de telles solutions peut etre calculé par la relation pH = pKa + log[acide] A partir de cette relation on peut dire que : -Le pH d’une solution tampon ne dépend que du rapport des concentrations de l’acide et de la base conjuguée : -Lorsqu’on dilue une solution tampon, le rapport [base]/[acide] reste constant donc le pH ne varie pas. -Lorsque les concentrations de l’acide et de la base sont égales, le pH de la solution tampon est égal au pKa du couple acide-base en solution (tampon au pouvoir maximal). L’effet tampon peut etre montré sur la courbe de titrage de l’acide acétique par une base forte telle que la soude. En effet, sur la partie de la courbe encadrant le point de demiéquivalence, le pH de la dilution ne varie que très faiblement malgré l’addition de la soude. Au point de de demi-équivalence l’acide acétique et sa base conjuguée constituent alors une solution tampon. D’une manière générale, un acide additionné d’une base jusqu’au point de demiéquivalence constitue une solution tampon dont le pH varie peu autour de la valeur de pKa de l’acide. Il en est de meme d’une base faible (NH3) additionnée d’un acide jusqu’ au point de demi-équivalence, donne une solution dont le pH varie peu autour de la valeur pka de l’acide conjuguée. Par exemple, une solution tampon d’acide et de sa base conjuguée acétate (CH3COO-) peut etre préparée de diverses manières : a-par dilution de CH3COOH et CH3COONa. b-par addition d’une certaine quantité de NaOH à une solution d’acide acétique. c-par addition d’une certaine quantité de HCl à une solution d’acétate de sodium. 1 ISSTE Borj Cédria Mr. H.Abbassi 1CE/PC : 2022-2023 Préparation de solutions tampon Nous disposons de solutions aqueuses : d’acétate de sodium, de carbonate de sodium, de bicarbonate de sodium, d’acide phosphorique et de phosphate de sodium. Toutes ces solutions sont des concentrations voisines de 0,1 molL-1. Une solution aqueuse de HCl (0,1 molL-1) et une solution aqueuse de NaOH (0,1 molL-1), permettant d’établir un rapport acide-base convenable pour un couple choisi. On donne les valeurs des pKa à 25°C des couples acide/base suivant : Couples acide/base pKa à 25°C CH3COOH/ CH3COO- 4,7 HCO3-/ CO32- 10,2 H3PO4/ H2PO4- 2,1 H2PO4-/ HPO42- 7,2 Exemple : s’il s’agit de préparer un tampon de pH = 7,4. On choisit le couple acide-base dont la constante de dissociation est la plus voisine de la constante en protons de la solution envisagée. Le choix se portera donc sur le couple : H2PO4-/HPO42- dont le pKa est égal à 7,2. Supposons qu’on dispose d’un volume de 100cm3 de la solution d’acide chlorhydrique de concentration molaire égale à 0,1mol.L-1faut-il lui ajouter pour obtenir le pH désiré ? [H3O+] = Ka2 [H2PO4-]/[HPO42-] = Ka2 [acide]/[base] 10-7,2 = 10-7,2 .nacide/nbase D’où nacide/nbase = 10-7,2 d’autre part, nacide + nbase = 10-2 mol. On en déduit donc que : nacide = 3,8.10-3 mol et nbase = 6 ,2.10-3 mol. Si on part de la solution basique, il faut donc ajouter 3,8.10-3 mol de la solution HCl pour obtenir un pH = 7,4. Pouvoir tampon L’effet tampon d’une solution (S1) est plus efficace que celui d’une solution (S2) lorsqu’il faudra ajouter à (S1) davantage de moles d’acide ou de base pour faire varier le pH de la solution tampon d’une certaine quantité. On dit dans ce cas que (S1) a un pouvoir tampon plus fort que (S2). Afin de rendre plus quantité cette propriété primordiale des solutions tampon on peut définir le pouvoir tampon par le quotient : 𝜏 = dC/dpH Ou dC est la variation de la concentration de l’acide ou de la base introduite pour entrainer une variation de pH égale à dpH. Le pouvoir tampon peut etre défini plus simplement par : Le pouvoir tampon est quantité en moles de monoacide fort ou de monobase forte nécessaire pour faire varier le pH d’un litre de solution tampon d’une unité. Ainsi il serait intéressant de chercher à préparer des solutions de pouvoir tampon important. 2 ISSTE Borj Cédria Mr. H.Abbassi 1CE/PC : 2022-2023 Partie expérimentale 1- Matériels utilisés -Un pH-mètre + solution tampon, burette graduée de 25mL, pipette de 10 mL, propipette, 4 béchers de 100mL, erlenmeyer, agitateur magnétique + barreaux aimantés, fiole de jaugé de 100mL + bouchons, pissette d’eau distillée 2- Solutions à utiliser - Une solution d’acide chlorhydrique (0,1M) - Une solution de soude NaOH (0,1M) - Une solution acétate de sodium CH3COONa (0,1M) -Une solution de bicarbonate de sodium (NaHCO3 0,1M) - Une solution d’acide acétique CH3COOH (0,1M) - Une solution d’acide phosphorique H3PO4 (0,1M) - Une solution d’acide carbonique H2CO3 (0,1M) 1-Préparation d’une solution tampon au pouvoir maximal -Déterminer, par calcul, le volume de HCl (0 ,1M) ou de NaOH (0,1M) qu’il faudrait ajouter à 50 cm3 de la solution choisie pour préparer une solution tampon au pouvoir maximal, c’est la solution (S). -Préparer alors la solution tampon (S) à partir de 50 cm3 de la solution choisie. Agiter par un barreau magnétique et vérifier sa valeur du pH à l’aide d’un pH-mètre préalablement étalonné. CONSERVER CETTE SOLUTION (S). 2-Préparation d’une solution tampon quelconque -Déterminer, par calcul, le volume de HCl (0,1M) ou de NaOH (0,1M) qu’il faudrait ajouter à 50 cm3 de la solution choisie pour préparer une solution tampon dont le pH est égale à pH = pka – 0,2. -Préparer alors la solution tampon (Q) à partir de 50 cm3 de la solution choisie. Agiter par un barreau magnétique et vérifier sa valeur du pH à l’aide d’un pH-mètre préalablement étalonné. 3- Etude de l’effet de la dilution -Prélever 5 cm3 de la solution tampon (S) dans une fiole jaugée de 100 cm3 et compléter avec l’eau distillée jusqu’au trait de jauge puis agiter. On obtient ainsi une solution (S’). -Mesurer le pH de cette solution (S’). CONSERVER CETTE SOLUTION (S’). -Prélever 25 cm3 de HCl (1M) et mesurer son pH. - Diluer 20 fois, dans une fiole jaugée de 100 cm3, la solution de HCl (1M). Mesurer le pH de la solution ainsi obtenue. Comparer le comportement à la dilution de la solution et celui de la solution de HCl. 3 ISSTE Borj Cédria Mr. H.Abbassi 1CE/PC : 2022-2023 4- Pouvoir tampon - Prélever, dans un bécher, 25 cm3 de la solution tampon (S). - Remplir la burette d’une solution de HCl (1M). - Mettre la solution en agitation. - Noter avec précision, la quantité de HCl ajoutée lorsque le pH a varié d’une unité. - Refaire la même opération avec la solution (S’). - Comparer les pouvoirs tampon des solutions (S) et (S’). 4
