Calcul du pH d'une solution tampon

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Le calcul de pH est une ressource importante dont l'élève dispose pour déterminer son caractère. acide, basique ou neutre d'un solution. Dans ce texte, nous proposerons astuces pour calculer le pH d'une solution tampon d'une manière simple.

Il est à noter qu'un solution tampon peut être formé par les mélanges suivants :

Mélange d'un sel avec une base faible, qui doit avoir le même cation que le sel. C'est un tampon de base ;
Mélanger un sel avec un acide faible, qui doit avoir le même anion que le sel. C'est un tampon acide.

Passons aux pourboires ?!

1er conseil: Formules selon le type de solution tampon

Lorsque vous disposez d'une solution tampon acide, utilisez :

pH = pKa + log [sel]
[acide]

Lorsque vous disposez d'une solution tampon basique, utilisez :

pOH = pKb + log [sel]
[base]

Lorsque vous disposez d'une solution tampon basique et d'un Kw (Constante d'ionisation de l'eau) différent, utilisez :

pH = pKb - pKb - log [sel]
[base]

2ème conseil: Lorsque l'exercice fournit les concentrations des participants et constante d'ionisation...

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Nous aurons la concentration de l'acide ou de la base qui forme la solution ;
Nous aurons la concentration de sel qui forme la solution ;
Nous aurons la constante d'ionisation (Ka ou Kb) de l'acide ou de la base qui forme la solution.

Exemple: (UNIFOR-CE-Adapté) Un mélange d'acide lactique (CH₃CH(OH)COOH) et le lactate de sodium (CH₃CH(OH)COONa) en solution aqueuse fonctionne comme une solution tampon, c'est-à-dire qu'il ne modifie pratiquement pas son pH par l'ajout de H⁺ ou oh^-. Une solution contenant 0,12 mol/L d'acide lactique et 0,12 mol/L de lactate de sodium a un pH qui peut être calculé par l'équation :

pH = pKa + log [sel]
[acide]

Ka = 1,0x10^-4= constante d'ionisation acide. En négligeant la quantité d'acide qui subit l'ionisation, déterminez la valeur du pH de la solution.

Résolution:

Dans cet exemple, nous avons une solution tampon composée de sel et d'acide. Les données fournies sont :

[sel] = 0,12 mol/L
[acide] = 0,12 mol/L
Ka = 1,10^-4

REMARQUE: l'exercice a donné le Ka, mais dans la formule nous utilisons le pKa, qui est simplement – logKa.

Comme il s'agit d'un tampon acide, il suffit d'utiliser l'expression :

pH = pKa + log [sel]
[acide]

pH = - log 1,10^-4 + journal 0,12
0,12

pH = - log10^-4 + journal 0,12
0,12

pH = 4.log 10 + log 1

pH = 4,1 + 0

pH = 4

3ème Conseil: Quand l'exercice nécessite de modifier le pH d'une solution tampon ayant reçu une quantité d'acide ou de base forte...

L'exercice fournira la concentration d'acide ou de base qui le forme;
Nous aurons la concentration de sel qui forme la solution ;
On aura la constante d'ionisation (Ka ou Kb) de l'acide ou de la base qui forme la solution ;
L'exercice fournira la valeur du pH du tampon après l'ajout de l'acide ou de la base forte ;
Il est nécessaire de trouver la valeur du pH du tampon avant d'ajouter l'acide ou la base forte ;
Ensuite, il faut soustraire le pH après ajout du pH avant ajout.

Exemple: (Unimontes-MG) Un litre de solution tampon contient 0,2 mol/L d'acétate de sodium et 0,2 mol/L d'acide acétique. En ajoutant de l'hydroxyde de sodium, le pH de la solution est passé à 4,94. Considérant que le pKa de l'acide acétique est de 4,76 à 25°C, quel est le changement de pH de la solution tampon ?

Résolution: Dans cet exemple, nous avons une solution tampon formée de sel et d'acide. Les données fournies sont :

pH après ajout de base forte = 4,94
[sel] = 0,2 mol/L
[acide] = 0,2 mol/L
pKa = 4,76

Dans un premier temps il faut calculer le pH du tampon avant d'ajouter la base forte. Pour cela, il faut utiliser l'expression pour tampon acide :

pH = pKa + log [sel]
[acide]

pH = 4,76 + log 0,2
0,2

pH = 4,76 + log 1

pH = 4,76 + 0

pH = 4,76

Enfin, on soustrait le pH après ajout de base du pH avant ajout :

ΔpH = après - avant ajout de base

pH = 4,94 - 4,76

pH = 0,18

4ème Conseil: Calculer le pH d'un tampon lorsque l'exercice fournit la masse d'un des participants

L'exercice fournira la concentration ou la quantité de matière d'acide, de base ou de sel qui le forme;
Lorsque l'exercice fournit la quantité de matière (mol), il fournira également le volume, car dans le calcul du pH, nous utilisons la concentration (en divisant la mol par le volume) ;
On aura la constante d'ionisation (Ka ou Kb) de l'acide ou de la base qui forme la solution ;
Il est nécessaire de calculer la masse molaire et la quantité de matière du participant qui a reçu la masse dans l'exercice.

Exemple: (UFES - Adapté) Une solution a été préparée en ajoutant 0,30 mol d'acide acétique et 24,6 grammes d'acétate de sodium dans une quantité d'eau suffisante pour compléter 1,0 litre de solution. Le système CH₃COOH et CH₃Le COONa constitue une solution tampon dans laquelle ce système est en équilibre. Ainsi, déterminez le pH de la solution préparée. (Données: Ka = 1,8×10^-5, log 1,8 = 0,26)

Résolution:

Les données fournies par l'exercice étaient :

Ka = 1,8×10^-5
log 1,8 = 0,26
Volume = 1L
Nombre de moles d'acide 0,30 mole
Comme le volume est de 1L, donc [acide] = 0,30 mol/L
Masse de sel utilisé = 24,6 g

D'abord: Nous devons calculer le masse molaire (M₁) de sel:

CH₃COONa

M₁ = 1.12 + 3.1+ 1.12 + 1.16 + 1.16 + 1.23

M₁ = 12 + 3 + 12 + 16 + 16 + 23

M₁ = 82g/mol

Deuxième: Déterminons maintenant le nombre de moles de sel en divisant la masse fournie par l'exercice par le masse molaire trouvé:

n = 24,6
82

n = 0,3 mole

La troisième: Nous devons calculer le concentration molaire du sel en divisant le nombre de moles par le volume fourni :

M = non
V

M = 0,3
1

M = 0,3 mol/L

Chambre: Il faut calculer le pH en utilisant l'expression pour solution tampon acide :

pH = pKa + log [sel]
[acide]

pH = -log 1.8.10^-5 + log 0.3
0,3

pH = 5 - log 1,8 + log 1

pH = 5 - 0,26 + 0

pH = 4,74

5ème Astuce: Calculer le pH d'une solution tampon qui a été préparée en mélangeant un acide et une base

Nous aurons la concentration molaire et le volume de la solution acide ;
Nous aurons la concentration molaire et le volume de la solution basique ;
On aura la constante d'ionisation de l'acide ou de la base ;
Déterminer le nombre de moles d'acide et de base utilisées dans la préparation (en multipliant la concentration molaire par le volume);
Respecter le rapport stoechiométrique, c'est-à-dire que pour chaque H+ de l'acide, un OH- de la base est utilisé pour neutraliser ;
Comme l'acide et la base se neutralisent et forment un sel, nous devons savoir s'il reste de l'acide (tampon acide) ou de la base (tampon basique) ;
Déterminer la concentration molaire des restes et du sel en divisant leur nombre de moles par le volume (somme des volumes utilisés dans la préparation).

Exemple: (UEL) Les solutions tampons sont des solutions qui résistent au changement de pH lorsque des acides ou des bases sont ajoutés ou lorsque la dilution se produit. Ces solutions sont particulièrement importantes dans les processus biochimiques, car de nombreux systèmes biologiques dépendent du pH. Par exemple, la dépendance du pH à la vitesse de clivage de la liaison amide de l'acide aminé trypsine par l'enzyme est mentionnée. chymotrypsine, dans laquelle un changement d'une unité de pH 8 (pH optimal) à 7 entraîne une réduction de 50 % de l'action enzymatique. Pour que la solution tampon ait une action tampon significative, elle doit avoir des quantités comparables d'acide conjugué et de base. Dans un laboratoire de Chimie, une solution tampon a été préparée en mélangeant 0,50 L d'acide éthanoïque (CH₃COOH) 0,20 mol L-1 avec 0,50 L d'hydroxyde de sodium (NaOH) 0,10 mol L-1. (Données: pKa de l'acide éthanoïque = 4,75)

Résolution:

Les données fournies par l'exercice sont :

[acide] = 0,20 mol/L
Volume d'acide = 0,5 L
[base]= 0,10 mol/L
Volume de base = 0,5 L
pKa = 4,75

D'abord: calcul du nombre de moles de l'acide (na) :

na = 0,20. 0,5

na = 0,1 mol

Deuxième: calcul du nombre de moles de la base :

nb = 0,10. 0,5

nb = 0,05 mol

La troisième: Déterminez qui reste dans la solution :

L'acide éthanoïque n'a qu'un seul hydrogène ionisable et la base a un groupe hydroxyle, donc le rapport entre eux est de 1:1. Ainsi, le nombre de moles des deux devrait être le même, mais nous avons une plus grande quantité (0,1 mole) d'acide que la quantité de base (0,05 mole), laissant 0,05 mole d'acide.

Chambre: Détermination du nombre de moles de sel

Comme la quantité de sel formée est toujours liée aux composants de plus petite proportion stoechiométrique (équilibrage), dans cet exemple, la quantité de sel suit le coefficient 1, c'est-à-dire que son nombre de mole est également de 0,5 mol.

Cinquième: Détermination de la concentration molaire d'acide et de sel

0,5 L d'acide a été mélangé à 0,5 L de base, ce qui donne un volume de 1 L. Ainsi, la concentration en acide et en sel est égale à 0,05 mol/L.

Sixième: détermination du pH

Comme le tampon est acide, il suffit d'utiliser les valeurs dans l'expression suivante :

pH = pKa + log [sel]
[acide]

pH = 4,75 + log 0,05
0,05

pH = 4,75 + log 1

pH = 4,75 + 0

pH = 4,75

Astuce 6: Lorsque l'exercice remet en question la nouvelle valeur du pH après avoir ajouté une quantité d'acide fort ou de base...

On aura la valeur de la concentration molaire de l'acide ou de la base qui a été ajoutée au tampon ;
Il faut avoir la concentration molaire du sel, de l'acide ou de la base qui forme le tampon. Au cas où nous ne l'aurions pas, calculez-le simplement comme vu dans les conseils précédents ;
La concentration ajoutée sera toujours soustraite de la concentration acide ou basique ;
La concentration ajoutée sera toujours ajoutée à la concentration en sel.

Exemple: Déterminer le pH de la solution tampon après avoir ajouté 0,01 mol de NaOH sachant que, dans 1,0 L de solution préparée, on a 0,05 mol/L d'acide acétique et 0,05 mol/L d'acétate de sodium. Données: (pKa = 4,75, log 0,0666 = 0,1765)

Résolution:

Données fournies :