Activité n°6 {Exp.} : Les solutions tampons - [Chapitre : Les réactions acido-basiques]

📑 Introduction ⚓

Nous continuons aujourd'hui le travail commencé sur les acides et les bases. Rappelez-vous : pour mesurer le pH d'une solution, on utilise un pH-mètre qu'il faut préalablement étalonner. Pour cela, on dispose de 2 solutions : l'une à \(pH=4\) et l'autre à \(pH=7\). Ces solutions sont conservées très longtemps, et utilisées un grand nombre de fois par tous les élèves du lycée.

Pourtant, le simple fait de laisser à l'air une solution modifie son \(pH\) car le dioxyde de carbone \(CO_2\) contenu dans l'atmosphère peut se solubiliser dedans et forme de l'acide carbonique \(H_2CO_3\). On a en effet :

\[CO_2+H_2O\ \longrightarrow\ H_2CO_3\]

Puis l'acide carbonique libère facilement un proton pour former des ions oxonium :

\[H_2CO_3+H_2O\ \longrightarrow HCO_3^-+H_3O^+\]

Pour vous le prouvez, c'est très simple : mesurer le pH de l'eau distillée ! Vous verrez que l'on est à un pH acide, bien en-dessous de 7.

La question est donc :

Pourquoi peut-on se permettre de garder les solutions rouge \(\left(pH=4\right)\) et verte \(\left(pH=7\right)\) aussi longtemps, sans prendre de précautions particulières ?

Les objectifs sont :

Savoir ce qu'est une solution tampon ;
Mesurer la variation de pH d'une solution tampon lors de l'ajout d'un peu de base et d'acide.

🧪 Mesure du pH de l'eau distillée ⚓

Méthode : Expérience

Étalonner le pH-mètre (si ce n'est pas déjà fait).
Mesurer le pH de l'eau fraîchement distillée. (Ne pas oublier de rincer la sonde de pH)
Attendre 5 minutes et recommencer, noter la valeur du \(pH\).
Recommencer avec de l'eau distillée d'il y a plusieurs jours. Noter la valeur du \(pH\).

Question⚓

Q1. Commenter vos résultats.

Solution ⚓

A6-Q1.

Le pH de l'eau fraîchement distillée est très proche de 7. Après 5 minutes il est plus faible et vaut . Pour une eau distillée qui date de plusieurs jours, le pH est encore plus faible et vaut .

L'eau distillée n'a donc pas un pH neutre tout le temps, et plus elle est vieille et plus elle sera acide. Ceci est due à la dissolution de l'acide carbonique (dioxyde de carbone \(CO_2\)) présent dans l'air.

🧪 Les solutions tampons ⚓

⚙ Comprendre le travail à réaliser ⚓

On peut lire sur Wikipédia :

Complément :

En chimie, une solution tampon est une solution qui maintient approximativement le même \(pH\) malgré l'addition de petites quantités d'un acide ou d'une base, ou malgré une dilution...

Une solution tampon est composée :

Soit d'un acide faible \(HA\) et de son anion \(A^-\).

Il s'agit par exemple du couple \(CH_3COOH\ /\ {CH_3COO}^-\), ou encore du couple \(NH_4^+\ /\ NH_3\).

Soit d'une base faible B et de son cation BH^+.

On trouve dans le sang humain une solution tampon physiologique formée par le couple \(H_2CO_3\ /\ HCO_3^-\) qui maintient le pH sanguin entre 7,35 et 7,45.

On se propose de vérifier l'affirmation de la première phrase de l'extrait ci-dessus.

La classe sera divisée en 3 groupes.
Tous les binômes d'un même groupe disposent des mêmes solutions.
Chaque binôme dispose d'une solution tampon dont le pH est inscrit sur le flacon ainsi que d'une solution d'acide ou de base, ou d'eau distillée et effectuera les mesures prévues ci-dessous, puis confirmera ou non l'affirmation de la première phrase de l'extrait cité.

Ensuite, chaque binôme ira chercher les résultats d'autres groupes pour établir une conclusion globale.

✒ Mesures et interprétation ⚓

Attention : Précisions sur les manipulations

les volumes de \(30\ \mathrm{mL}\) des solutions seront mesurés à l'éprouvette graduée.
un volume de \(1\ \mathrm{mL}\) de solution acide ou basique à ajouter sera estimé à la pipette jetable (plastique)
un volume de \(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée sera mesuré à l'éprouvette graduée.

Méthode : Mode opératoire

Étalonner le pH-mètre si nécessaire.
Préparer 3 béchers avec \(30\ \mathrm{mL}\) de solution tampon de \(pH=\) _____ (voir ce qui est sur votre table). Les numéroter de 1 à 3. Mesurer le \(pH\) de la solution contenue dans le bécher 1. Noter la valeur dans le tableau.
Ajouter \(1\ \mathrm{mL}\) de solution de soude à \(0,1\ \mathrm{mol.L^{-1}}\), agiter 2 à 3 secondes le bécher à la main et noter le \(pH\).
Rincer soigneusement l'électrode (la plonger dans de l'eau) avant de faire la mesure avec le bécher 2.
Noter le \(pH\). Dans le bécher 2, ajouter ensuite \(1\ \mathrm{mL}\) d'acide chlorhydrique à \(0,1\ \mathrm{mol.L^{-1}}\). Noter le \(pH\).
Rincer soigneusement l'électrode avant de passer au bécher 3, mesurer le \(pH\), puis y ajouter \(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée et mesurer à nouveau le \(pH\).
Vider et rincer les béchers ; les numéroter 1', 2', 3'.
Pour préparer les 3 béchers avec \(30\ \mathrm{mL}\) de solution, il faut utiliser la solution acide ou basique à \({10}^{-3}\ \mathrm{mol.L^{-1}}\) ou de l'eau distillée suivant la solution tampon mise à disposition (il faudra utiliser le même type de solution que la solution tampon utilisée).
Procéder comme précédemment pour voir la variation du \(pH\) dû à l'ajout d'un millilitre d'acide, de base, et de \(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée.

Question⚓

Q2. Réaliser les manipulations afin de compléter le tableau suivant à l'aide de vos résultats :

Bécher n°	1	2	3	4	5	6
\(30\ \mathrm{mL}\) de solution	Tampon ____	Tampon ____	Tampon ____
Ajout de ...	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée
\(pH\) avant ajout
\(pH\) après ajout

Solution ⚓

A6-Q2.

Exemples de valeurs pour les groupes utilisant la solution tampon \(pH=4\)
Bécher n°	1	2	3	4	5	6
\(30\ \mathrm{mL}\) de solution	Tampon \(\color{red}{\mathbf{4}}\)	Tampon \(\color{red}{\mathbf{4}}\)	Tampon \(\color{red}{\mathbf{4}}\)	\(\color{red}{\textsf{Acide }\mathbf{HC\ell}}\)	\(\color{red}{\textsf{Acide }\mathbf{HC\ell}}\)	\(\color{red}{\textsf{AScide }\mathbf{HC\ell}}\)
Ajout de ...	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée
\(pH\) avant ajout	\(\color{red}{\mathbf{3,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{3,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{3,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{3,0}}\)	\(\color{red}{\mathbf{3,0}}\)	\(\color{red}{\mathbf{2,9}}\)
\(pH\) après ajout	\(\color{red}{\mathbf{3,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{3,8}}\)	\(\color{red}{\mathbf{4,2}}\)	\(\color{red}{\mathbf{11,1}}\)	\(\color{red}{\mathbf{2,4}}\)	\(\color{red}{\mathbf{3,2}}\)

Question⚓

Q3. Comment varie le \(pH\) des solutions tampons dans les béchers 1,2 et 3 ? Comparer avec les béchers 1', 2', et 3'.

Solution ⚓

A6-Q3.

Pour une solution tampon (4, ou 7 ou 10), lorsqu'on ajoute une faible quantité de base, ou d'acide ou d'eau distillée, le pH ne varie pas ou très peu.

Alors que dans le cas d'une solution d'acide chlorhydrique (ou d'hydroxyde de sodium, ou d'eau distillée), l'ajoute d'une faible quantité d'acide ou de base fait varier fortement le pH.

Le pH de l'eau distillée ne varie pas lorsqu'on ajoute de l'eau distillée, ce qui semble normal.

Question⚓

Q4. Que penser de l'affirmation lue sur le site Wikipédia au vu de vos mesures ?

Solution ⚓

A6-Q4.

L'affirmation lue sur Wikipedia est donc vérifiée : une \(solution tampon\) est bien une solution qui maintient approximativement le même pH malgré l'addition de petites quantités d'un acide ou d'une base, ou malgré une dilution.

Question⚓

Q5. Récupérer les résultats des autres binômes dans les deux tableaux ci-dessous :

Bécher n°	1	2	3	4	5	6
\(30\ \mathrm{mL}\) de solution	Tampon ____	Tampon ____	Tampon ____
Ajout de ...	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée
\(pH\) avant ajout
\(pH\) après ajout

Bécher n°	1	2	3	4	5	6
\(30\ \mathrm{mL}\) de solution	Tampon ____	Tampon ____	Tampon ____
Ajout de ...	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée
\(pH\) avant ajout
\(pH\) après ajout

Solution ⚓

A6-Q5.

Exemples de valeurs pour les groupes utilisant la solution tampon \(pH=7\)
Bécher n°	1	2	3	4	5	6
\(30\ \mathrm{mL}\) de solution	Tampon \(\color{red}{\mathbf{7}}\)	Tampon \(\color{red}{\mathbf{7}}\)	Tampon \(\color{red}{\mathbf{7}}\)	\(\color{red}{\textsf{Eau distillée}}\)	\(\color{red}{\textsf{Eau distillée}}\)	\(\color{red}{\textsf{Eau distillée}}\)
Ajout de ...	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée
\(pH\) avant ajout	\(\color{red}{\mathbf{7,0}}\)	\(\color{red}{\mathbf{7,1}}\)	\(\color{red}{\mathbf{7,0}}\)	\(\color{red}{\mathbf{6,6}}\)	\(\color{red}{\mathbf{8}}\)	X
\(pH\) après ajout	\(\color{red}{\mathbf{7,0}}\)	\(\color{red}{\mathbf{6,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{7,0}}\)	\(\color{red}{\mathbf{11,4}}\)	\(\color{red}{\mathbf{2,7}}\)	X

Exemples de valeurs pour les groupes utilisant la solution tampon \(pH=10\)
Bécher n°	1	2	3	4	5	6
\(30\ \mathrm{mL}\) de solution	Tampon \(\color{red}{\mathbf{10}}\)	Tampon \(\color{red}{\mathbf{10}}\)	Tampon \(\color{red}{\mathbf{10}}\)	\(\color{red}{\textsf{Soude }\mathbf{HO^-}}\)	\(\color{red}{\textsf{Soude }\mathbf{HO^-}}\)	\(\color{red}{\textsf{Soude }\mathbf{HO^-}}\)
Ajout de ...	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée
\(pH\) avant ajout	\(\color{red}{\mathbf{10,1}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,2}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,1}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,4}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,8}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,4}}\)
\(pH\) après ajout	\(\color{red}{\mathbf{10,2}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,1}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,1}}\)	\(\color{red}{\mathbf{11,6}}\)	\(\color{red}{\mathbf{2,5}}\)	\(\color{red}{\mathbf{10,3}}\)

Question⚓

Q6. Que penser au vu des mesures réalisées par les autres binômes

Solution ⚓

A6-Q6.

Les mesures des autres binômes concordent aux résultats obtenus en Q2.

📝 La solution (S) est-elle une solution tampon ?⚓

On dispose d'une solution \(\left(S\right)\) obtenue en mélangeant un volume \(V\) de solution d'acide éthanoïque avec le même volume \(V\) de solution d'éthanoate de sodium de même concentration égale à \(0,10\ \mathrm{mol.L^{-1}}\).

Question⚓

Q7. Proposer un protocole expérimental pour montrer que cette solution a les mêmes propriétés qu'une solution tampon. Faire valider le protocole par le professeur.

Question⚓

Q8. Réaliser le protocole. Inscrire les résultats de façon pertinente et conclure.

Solution ⚓

A6-Q8.

Bécher n°	1	2	3
\(30\ \mathrm{mL}\) de solution	\(\color{red}{\textsf{Mélange}}\)	\(\color{red}{\textsf{Mélange}}\)	\(\color{red}{\textsf{Mélange}}\)
Ajout de ...	\(1\ \mathrm{mL}\) de base	\(1\ \mathrm{mL}\) d'acide	\(50\ \mathrm{mL}\) d'eau distillée
\(pH\) avant ajout	\(\color{red}{\mathbf{4,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{4,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{4,9}}\)
\(pH\) après ajout	\(\color{red}{\mathbf{4,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{4,9}}\)	\(\color{red}{\mathbf{4,6}}\)

Le pH du mélange d'acide éthanoïque/éthanoate de sodium ne varie pas lorsqu'on ajoute de petites quantités d'acide ou de base ou d'eau distillée.

Ce mélange se comporte donc comme une solution tampon : on a fabriqué une solution tampon.