À quoi sert une solution tampon
Une solution tampon limite les variations de pH lors d’un ajout modéré d’acide, de base ou d’eau. Elle contient un acide faible AH et sa base conjuguée A⁻ en quantités comparables : les ions H₃O⁺ ajoutés réagissent avec A⁻, les ions HO⁻ ajoutés réagissent avec AH. Le sang, les milieux de culture, les dosages enzymatiques, les shampooings ou l’eau des piscines reposent sur des tampons.
La relation de Henderson-Hasselbalch
- pH = pKa + log([A⁻] ÷ [AH])
- Rapport à viser pour un pH donné = 10^(pH − pKa)
- Part sous forme acide = [AH] ÷ ([AH] + [A⁻])
Elle découle de la constante d’acidité Ka = [H₃O⁺][A⁻] ÷ [AH] en passant au logarithme. C’est la même relation qui permet de tracer le diagramme de prédominance d’un couple : AH prédomine sous le pKa, A⁻ au-dessus.
Exemple chiffré
Un tampon acétique contient 0,15 mol/L d’ions acétate et 0,10 mol/L d’acide acétique, de pKa 4,76.
- Rapport [A⁻]/[AH] = 0,15 ÷ 0,10 = 1,5.
- pH = 4,76 + log 1,5 = 4,76 + 0,176 = 4,94.
- 40 % du couple est sous forme acide.
- Pour obtenir un pH de 5,00, il faudrait un rapport de 10^0,24 = 1,74.
pH selon le rapport (tampon acétique, [AH] = 0,10 mol/L)
| [A⁻] (mol/L) | pH | Forme acide |
|---|---|---|
| 0,01 | 3,76 | 90,9 % |
| 0,05 | 4,46 | 66,7 % |
| 0,10 | 4,76 | 50,0 % |
| 0,20 | 5,06 | 33,3 % |
| 1,00 | 5,76 | 9,1 % |
Chaque facteur 10 sur le rapport décale le pH d’exactement une unité.
Couples courants
| Couple | pKa à 25 °C | Zone utile |
|---|---|---|
| Acide acétique / acétate | 4,76 | 3,8 à 5,8 |
| CO₂,H₂O / HCO₃⁻ | 6,35 | 5,4 à 7,4 |
| H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻ | 7,21 | 6,2 à 8,2 |
| Tris | 8,07 | 7,1 à 9,1 |
| NH₄⁺ / NH₃ | 9,25 | 8,3 à 10,3 |
Choisissez un couple dont le pKa est à moins d’une unité du pH visé. Les pKa varient avec la température : celui du Tris perd environ 0,03 unité par degré.
Le lien avec le titrage
Lors du titrage d’un acide faible par une base forte, la demi-équivalence correspond à [A⁻] = [AH] : le pH y est égal au pKa. C’est la méthode classique de détermination d’un pKa en travaux pratiques, et la zone de faible pente de la courbe autour de ce point illustre l’effet tampon.
Le pH du sang
Le couple CO₂/HCO₃⁻ maintient le pH sanguin entre 7,35 et 7,45. En physiologie, on écrit pH = 6,1 + log([HCO₃⁻] ÷ (0,03 × PaCO₂)), avec la PaCO₂ en mmHg : 24 mmol/L de bicarbonates et 40 mmHg de PaCO₂ donnent un pH de 7,40.
Préparer un tampon
Mélangez l’acide et sa base conjuguée dans le rapport calculé, ou partez de l’acide et ajoutez une base forte jusqu’au pH visé, contrôlé au pH-mètre. Plus les concentrations sont élevées, plus le pouvoir tampon est grand.