Équilibres chimiques — Solutions tampons et diagrammes de prédominance

Comprendre comment les tampons limitent les variations de pH et comment lire le diagramme de prédominance pour anticiper le rôle des espèces chimiques.

Objectifs

Savoir définir une solution tampon et décrire son fonctionnement dans le maintien du pH.
Utiliser le diagramme de prédominance pour interpréter les couples acide/base selon le pH.
Réaliser des calculs simples de pH avec la relation de Henderson–Hasselbalch et interpréter les résultats.

Notions clés

Tampon — définition et rôle

Une solution tampon est une solution qui résiste aux variations de pH lorsqu’on y ajoute des acides ou des bases faibles, grâce à l’équilibre HA ⇌ H+ + A− et à la présence des deux formes de l’espèce chimique.

Dans une telle solution, l’équilibre entre l’acide faible HA et sa base conjuguée A− permet d’absorber les ions H+ ou OH− ajoutés. La relation usuelle associée à un tampon est la suivante : \( \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right) \).

Diagramme de prédominance

Le diagramme de prédominance illustre, pour chaque pH, quel couple acide/base domine en fonction du rapport [A−]/[HA]. Plus le ratio est élevé, plus A− est prépondérant; inversement, HA domine lorsque le ratio est faible.

Formulation clé: pH est relié au rapport par Henderson–Hasselbalch, ce qui permet de lire rapidement quelle espèce est majoritaire à un pH donné.

Exemples résolus

Exemple 1 : calcul du pH d'un tampon

Pour un tampon HA/A− avec pKa = 4.8 et rapport [A−]/[HA] = 10, on applique Henderson–Hasselbalch :

\[ \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right) \]

Étape 1: relever pKa et le rapport demandé

Étape 2: substitution dans la formule

Étape 3: calcul numérique

Voir la solution

Calcul détaillé :

\[ \mathrm{pH} = 4.8 + \log(10) = 4.8 + 1 = 5.8 \]

Quel est le pH d'un tampon si pKa = 4.8 et que le rapport [A-]/[HA] = 10 ?

Car pH = pKa + log([A-]/[HA]) = 4.8 + log(10) = 5.8.

Erreurs fréquentes

Ne pas vérifier l’échelle du diagramme et lire le rapport sur l’axe incorrect.
Utiliser une valeur de pKa inadaptée ou confondre les espèces conjuguées.
Oublier que la capacité tampon dépend de la concentration totale et du pH visé par rapport au pKa.

Récapitulatif

Tampon: solution qui résiste au changement de pH grâce à l’équilibre HA/A−.
Diagramme de prédominance: indique, pour un pH donné, quelle espèce domine selon le rapport [A−]/[HA].
Henderson–Hasselbalch: \( \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right) \).

Cartes mémo

Tampon

Solution qui résiste au changement de pH grâce à HA/A−.

pH et pKa

pH ≈ pKa lorsque [A−] ≈ [HA].

Diagramme de prédominance

Rapport [A−]/[HA] détermine le pH via Henderson–Hasselbalch.