42. Propriétés d'une solution tampon
ANA-RAI Choisir un modèle ou des lois pertinentes REA Effectuer un calcul
VAL Faire preuve d'esprit critique
Les solutions tampons sont fréquemment exploitées,
aussi bien par les chimistes (étalonnage d'un pH-mètre,
par exemple) que par le corps humain (stabilité du pH
sanguin). Cet exercice a pour but de déterminer la consti-
tution de ce type de solutions, ainsi que d'en étudier
leurs propriétés.
DOC. 1
Solutions tampons
Les solutions tampons sont des solutions aqueuses
qui contiennent aussi bien l'acide d'un couple acide-
base que la base du même couple, dans des propor-
tions voisines.
Elles sont caractérisées par un pH qui varie très peu
lors de l'introduction d'un acide ou d'une base en
quantité modérée ou encore lors d'une dilution
raisonnable.
DOC. 2 Constante d'équilibre
La réaction entre l'acide d'un premier couple noté
Acide/Base, et la base d'un second couple noté
Acide₂/Base2 a pour équation:
Acide, + Base₂
Base, + Acidez
et possède une constante d'équilibre notée K(T).
Dans le cadre restreint des solutions aqueuses,
lorsque cette constante d'équilibre dépasse une valeur
limite de 10³, la transformation modélisée par le
transfert d'ion hydrogène entre les deux couples est
considérée comme quasi-totale.
Une solution aqueuse S contient l'ammoniac NH3 et l'ion
ammonium NH à la même concentration en quantité de
matière notée c.
DONNÉE
Constante d'acidité du couple NH/NH₂: K₁=6,3x10-10,
a. Exprimer le pH de la solution Set vérifier qu'il ne dépend
pas de la valeur de c, donc de la dilution. Calculer alors la
valeur du pH de la solution S.
b.
. Un échantillon de solution d'acide chlorhydrique conte-
nant l'ion oxonium en quantité de matière n est introduit
sans variation de volume dans une solution S de volume V.
La solution obtenue est notée S' et la quantité d'acide
introduit est telle que n Ecrire l'équation de la réaction (R) qui modélise le trans-
fert d'ion hydrogène de l'ion oxonium à l'ammoniac.
c. En appliquant la loi de l'équilibre, exprimer la constante
d'équilibre K(T) associée à la réaction (R) en fonction de la
constante d'acidité Ka
d. Calculer numériquement K(T) et conclure.
e. Construire le tableau d'avancement associé à la trans-
formation modélisée par la réaction (R). En déduire que
S'ENTRAINER
Exercices
la variation de pH résultant de l'introduction de l'acide
| CV-
chlorhydrique vaut: ApH=pH(S) - PH(S) = log |CV+n
f. Calculer ApH dans le cas où: c=100 mmol L-¹, V=500 mL
et n=0,10 mmol.
g. Réaliser le même calcul dans le cas où c=10 mmol-L-¹,
V=500 mL et n=0,10 mmol.
h. Justifier que dans les deux cas précédents, S peut être
qualifiée de solution tampon.
i. Conclure sur le lien entre la concentration d'une solu-
tion tampon et son efficacité.
43 Une étiquette inappropriée
REA Effectuer un calcul VAL Faire preuve d'esprit critique
Il est demandé à un technicien de laboratoire de réali-
ser les deux solutions aqueuses suivantes, chacune del
volume V=500 mL.
S₁: solution aqueuse d'acide nitrique, concentration en
quantité de matière c=10 mmol-L-1
$₂: : solution aqueuse d'acide éthanoïque, concentration.
en quantité de matière c=10 mmol.L-¹.
Le technicien est aussi chargé de réaliser l'étiquetage.
des bouteilles. Il prépare les deux étiquettes ci-dessous.
A. Solution aqueuse
d'acide nitrique
HNO3(aq)
c=10 mmol-L-1
B. Solution aqueuse
d'acide éthanoïque
CH₂COOH(aq)
c=10 mmol-L-1
DONNÉES
L'acide nitrique est un acide fort.
L'acide éthanoïque est un acide faible. La constante d'acidité du
couple dont il est l'acide est K₁=1,6 x 10-5,
Conductivités ioniques molaires (en mS-m²-mol-¹):
A(H₂O) 35,9; Aλ(CH₂COO-)-4,1.
Conductivité de la solution S₂: 0₂-16 mS-m-¹,
a. Écrire l'équation de réaction acide-base (R1) de l'acide
nitrique avec l'eau, puis l'équation de réaction (R2) dont
la constante d'équilibre est Ka-
b. Calculer la quantité de matière n d'acide nitrique ou
d'acide éthanoïque nécessaire à la réalisation des solu-
tions S₂ et S₂ à partir d'eau distillée.
c. Établir le tableau d'avancement de la transformation.
conduisant à la réalisation de la solution S₁, (en notant.x₁
son avancement à l'état final). Faire de même pour S₂ (en
notant.x₂ son avancement à l'état final).
d. Exprimer puis calculer x₁. Faire de même pour X₂ en
exploitant les données sur la conductivité de la solution S₂.
e. Calculer le pH de chacune des solutions S₁ et S₂.
f. Expliquer:
- pourquoi le pH de la solution S₂ est cohérent avec le
diagramme de prédominance du couple acide étha-
noïque/ion éthanoate;
comment le calcul de ces deux pH permet de comparer
la force des deux acides.
g. Une des étiquettes réalisées par le technicien n'est pas
correcte. La corriger en justifiant votre réponse.
Chapitre 7 Équilibre de la réaction acide-base 179