TP virtuel sur les solutions tampons : pH et pouvoir tampon

Ce TP virtuel sur les solutions tampons suit les TP d'AP Chemistry sur la préparation et le test d'un tampon. Les élèves ajoutent des gouttes d'acide fort et de base forte dans deux béchers côte à côte : de l'eau distillée et une solution tampon. Ils changent ensuite un seul paramètre à la fois. Le rapport entre la forme basique et la forme acide modifie le pH initial du tampon, et la concentration totale modifie la quantité d'acide que le tampon peut absorber avant de céder. Chaque goutte met à jour les deux pH-mètres, un graphique du pH en fonction des gouttes et des barres pour les deux constituants du tampon. Les élèves repartent avec les deux règles de conception d'un tampon efficace et les données qui les justifient.

Liens avec les programmes

• AP Chemistry Unit 8, topics 8.8 Properties of Buffers (SAP-10.B), 8.9 Henderson–Hasselbalch Equation (SAP-10.C) et 8.10 Buffer Capacity (SAP-10.D), et les TP d'AP Chemistry sur la préparation d'un tampon efficace et sur l'activité tampon.
• Il convient aussi aux chapitres sur les tampons d'IB Chemistry et d'A-level Chemistry.

Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Donnez un fait aux élèves et demandez-leur une prédiction :

« 10 gouttes de HCl à 2 M font passer 50 mL d'eau distillée de pH 7,00 à pH 1,70. Les mêmes 10 gouttes tombent dans 50 mL d'un tampon éthanoate (acétate) à pH 4,76. De combien le pH du tampon va-t-il baisser ? »

Proposez quatre choix : moins de 0,5 unité, environ 2 unités, environ 5 unités, ou aucun changement.

Protocole dans la simulation

Chaque goutte correspond à 0,05 mL de solution à 2 M (0,1 mmol). Les boutons +10 gouttes ajoutent les gouttes l'une après l'autre ; attendez qu'elles soient toutes tombées avant de lire.

Partie 1 : eau ou tampon

1. Choisissez le tampon CH₃COOH / CH₃COO⁻. Réglez la Concentration totale sur 0,10 M et le rapport sur 1,0.
2. Appuyez sur +10 gouttes HCl. Notez le pH et le ΔpH des deux béchers.
3. Appuyez sur Réinitialiser, puis sur +10 gouttes NaOH. Notez de nouveau.

Partie 2 : qu'est-ce qui fixe le pH ?

4. Gardez 0,10 M. Réglez le rapport sur 0,1, puis 1,0, puis 10. Notez à chaque fois le pH initial, puis ajoutez 10 gouttes de HCl et notez ΔpH.

Partie 3 : qu'est-ce qui fixe le pouvoir tampon ?

5. Réglez le rapport sur 1,0. Pour des concentrations totales de 0,05 ; 0,10 et 0,20 M, ajoutez du HCl en trois fois 10 gouttes et notez le pH du tampon après chaque ajout. Notez le moment où la simulation indique que le pouvoir tampon est épuisé.

Conc. totale (M)	pH après 10 gouttes	pH après 20 gouttes	pH après 30 gouttes
0,05
0,10
0,20

Résultats attendus

Toutes les valeurs viennent de la simulation (tampon acétate, 50 mL par bécher).

Partie 1. Dix gouttes de HCl font passer l'eau de 7,00 à 1,70 (ΔpH −5,30) et le tampon de 4,76 à 4,39 (ΔpH −0,37). Dix gouttes de NaOH amènent l'eau à 12,30 et le tampon à 5,13. La variation du tampon est environ 14 fois plus petite.

Partie 2.

Rapport [CH₃COO⁻]/[CH₃COOH]	0,1	1,0	10
pH initial	3,77	4,76	5,76
ΔpH après 10 gouttes de HCl	−1,81	−0,37	−0,61

Le pH initial suit pH = pKa + log(rapport). Avec un rapport de 0,1, il n'y a que 0,45 mmol de forme basique : 1,0 mmol d'acide l'épuise et le pH tombe à 1,96. Le tampon résiste le mieux pour un rapport proche de 1.

Partie 3.

Conc. totale (M)	10 gouttes	20 gouttes	30 gouttes
0,05	3,82	1,83	1,47
0,10	4,39	3,81	2,01
0,20	4,58	4,39	4,16

Les trois tampons partent de pH 4,76. Selon la ligne de pouvoir tampon de la simulation, les tampons à 0,05 ; 0,10 et 0,20 M peuvent absorber environ 12, 25 et 50 gouttes d'acide. Doubler la concentration double le pouvoir tampon et divise à peu près par deux le ΔpH pour un même ajout.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) De combien le pH du tampon baisse-t-il après 10 gouttes de HCl ?
2. Dans la partie 3, quelles variables doivent rester identiques ?
3. Dans le tampon à 0,10 M de rapport 1,0, quel est le pH après 10 gouttes de HCl ?
4. Dans le tampon à 0,20 M, quelle est la variation de pH après 10 gouttes de HCl ?
5. Quelle conclusion correspond à vos données ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Moins de 0,5 unité (il baisse de 0,37). (2) Le couple tampon, le rapport et le nombre de gouttes. (3) 4,39 (accepter 4,37–4,41). (4) 0,18 (accepter 0,16–0,20, avec ou sans le signe moins), soit la moitié de la variation de 0,37 à 0,10 M. (5) Le rapport fixe le pH ; la concentration totale fixe le pouvoir tampon.

Idées fausses fréquentes

• « Un tampon maintient le pH constant. » Il ne fait que ralentir la variation. Chaque goutte déplace un peu le pH, et au-delà du pouvoir tampon, il chute vite.
• « Un tampon plus concentré a un pH plus bas. » À rapport fixé, les trois concentrations partent de 4,76. La concentration change le pouvoir tampon, pas le pH.
• « N'importe quel rapport convient tant que le couple est le bon. » Avec un rapport de 0,1, le tampon cède après moins de 5 gouttes d'acide.

Prolongement

• Concevoir un tampon : demandez un tampon à pH 7,4 qui absorbe au moins 30 gouttes de HCl. Les élèves choisissent le couple phosphate (pKa 7,21), règlent un rapport proche de 1,5 et augmentent la concentration totale jusqu'à ce que la ligne de pouvoir tampon autorise 30 gouttes.
• Le sang : choisissez le tampon sanguin (HCO₃⁻/H₂CO₃ = 20). Les élèves comparent combien de gouttes d'acide et de base il absorbe, et expliquent pourquoi l'organisme a aussi besoin des poumons et des reins.

Questions fréquentes

Les valeurs de pH utilisent-elles la relation de Henderson–Hasselbalch ?

La simulation affiche les deux. Le pH affiché vient d'un calcul exact par l'électroneutralité : il reste donc juste après l'épuisement du tampon, quand la relation de Henderson–Hasselbalch ne s'applique plus.

Pourquoi le pH de l'eau est-il exactement 7,00 ?

Le modèle suppose que l'eau n'absorbe pas de CO₂ de l'air. La vraie eau distillée est souvent proche de pH 5,6, ce qui fait un bon sujet de discussion.

Les élèves peuvent-ils tester des produits ménagers ?

Pas dans cette simulation : elle propose quatre couples tampons et de l'eau pure. Faites l'enquête sur les produits ménagers en TP réel et utilisez cette simulation pour expliquer les résultats.

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Titrage acido-basique et courbe de titrage Échelle de pH – mesurer et mélanger acides et bases

La zone tampon apparaît aussi sur la courbe de titrage d'un acide faible : voir le TP virtuel de titrage acido-basique. Pour les bases du pH, voir le plan de séance sur l'échelle de pH, et pour d'autres thèmes, les idées de leçons de chimie interactives.