Les tampons sont des systèmes aqueux qui résistent aux changements de pH lorsque de petites quantités d’acide ou de base sont ajoutées et sont composés d’un acide faible et de sa base conjuguée. Un tampon maintient le pH d’une solution constant en absorbant les protons qui sont libérés lors des réactions ou en libérant des protons lorsqu’ils sont consommés par les réactions. La découverte que des solutions partiellement neutralisées d’acides ou de bases faibles résistent aux changements de pH, lorsque de petites quantités d’acides ou de bases fortes sont ajoutées, a conduit au concept de « tampon ».

Une base conjuguée est un acide qui a perdu un proton.
HA  ↔  H⁺ + A^-
Proton acide  ↔  + base conjuguée

Un acide conjugué est une base qui a gagné un proton.
A + H ⁺  ↔  H ⁺ A
Base + acide conjugué de protons  ↔  

Un équilibre entre la forme dissociée et la forme indissociée s’établit.
Par exemple, l’acide acétique faible se dissocie partiellement dans l’eau en produisant un ion acétate :
CH₃COOH H⁺ + CH₃COO  ↔  ^-
L’acide acétique non dissocié, les ions hydrogène et l’ion dissocié existent en équilibre en solution.

L’acétate de sodium se dissocie également dans l’eau pour produire le même ion acétate :
CH₃COONa  ↔  Na⁺ + CH₃COO^-
L’acétate de sodium non dissocié et les ions sodium et acétate existent en équilibre en solution.

Une solution aqueuse d’un mélange d’acide acétique et d’acétate de sodium peut donc absorber les ions H⁺ de l’ajout d’un acide par la combinaison des ions hydrogène avec la base d’acétate pour produire de l’acide acétique. De plus, lorsque les ions OH^- sont introduits dans la solution par l’ajout d’un alcali, ils se combinent avec des molécules d’acide (H⁺) pour produire de l’eau. De cette façon, lorsque le système tente de rétablir l’équilibre, la solution résiste aux modifications de la valeur du pH. Voici comment fonctionne une solution tampon.

Que se passe-t-il après l’ajout d’acide dans le tampon ?

Lorsqu’un peu d’acide fort (plus de H+) est ajouté à un mélange d’équilibre de l’acide faible et de sa base conjuguée, l’équilibre est décalé vers la gauche, conformément au principe de Le Chatelier.

Que se passe-t-il après l’ajout d’une base au tampon ?

De même, si une base forte est ajoutée au mélange, la concentration en ions hydrogène diminue moins que la quantité attendue pour la quantité de base ajoutée. En effet, la réaction se déplace vers la droite pour tenir compte de la perte de H⁺ dans la réaction avec la base.

Les solutions tampons composées d’un acide faible et de sa base conjuguée sont appelées tampons acides et ont un pH < 7. Un tampon à base d’acide acétique (acide faible) et d’acétate de sodium (base conjuguée) est un tampon acide et a un pH d’environ 4,75.
Les solutions tampons composées d’une base faible et de son acide conjugué sont appelées tampons alcalins et ont un pH > 7. Un exemple de tampon alcalin est une solution aqueuse d’hydroxyde d’ammonium (base faible) et de chlorure d’ammonium (acide conjugué) dont le pH est de 9,25.

Les solutions tampons fonctionnent mieux lorsque leur pH est similaire à celui du système ou de la solution à l’étude. Dans l’étude des enzymes en biologie humaine, il faut un système qui correspond au pH du sang, c’est-à-dire 7,35 à 7,45, sinon les enzymes ne fonctionneront pas correctement. Si le système tampon a un pH en dehors de la plage souhaitée, cela aura également un impact négatif sur les analyses.

Il est donc nécessaire de pouvoir préparer des solutions tampons d’un pH spécifique et cela peut se faire de différentes manières :

• Ajustement du pH
  L’acide cristallin ou la base est d’abord dissous dans un volume d’eau équivalant à environ 60 à 70 % du volume final requis de solution tampon. Le pH est testé puis ajusté. Si un acide cristallin est utilisé, le pH est ajusté à l’aide d’une base qui ne générera pas d’ions susceptibles d’interférer avec le système étudié. Si une base cristalline est utilisée, le pH est ajusté à l’aide d’un acide approprié. Une fois que le pH souhaité est atteint, le volume de la solution tampon peut être complété par de l’eau pour obtenir le volume requis.
  
  
• Mélange de solutions acides et basiques
  Dans cette méthode, une solution d’acide ou de base est mélangée à une solution de sel associé. Les concentrations des solutions sources doivent être les mêmes que celles de la solution tampon requise. Les solutions peuvent être mélangées dans des proportions variables pour obtenir des valeurs de pH différentes dans la solution tampon finale. Alternativement, le pH peut être surveillé tout en ajoutant une solution à l’autre.
  
  
• Utilisation de l’équation de Henderson-Hasselbach
  L’équation de Henderson-Hasselbach peut être utilisée pour estimer le pH d’une solution tampon à l’aide de la constante de dissociation, pK_a. Lorsqu’un acide faible (HA) est en solution et que la dissociation en ions hydrogène (H⁺) et sa base conjuguée (A^-) est en équilibre, la constante de dissociation est une mesure de la force de l’acide à ce point d’équilibre. L’équation d’Henderson-Hasselbach est la suivante : 



Où : pKa est la constante de dissociation de l’acide faible
[A-] est la concentration de la base conjuguée à l’équilibre
[HA] est la concentration de l’acide à l’équilibre

Dans le cas où la concentration à l’équilibre de la base conjuguée et de l’acide est la même, le pH devient égal à la constante de dissociation. À ce stade, la solution de mise en mémoire tampon offre la capacité de mise en mémoire tampon maximale.
L’équation de Henderson-Hasselbach est également utilisée pour déterminer la constante de dissociation des acides faibles par mesure directe du pH

Les solutions tampons universelles sont constituées d’une combinaison de plusieurs paires acide-base. Cela permet aux tampons universels de maintenir la valeur de pH d’une solution sur une plage plus large et peuvent donc être utilisés dans de nombreuses autres applications.

• Créer une POS de préparation de la mémoire tampon
  Il est judicieux de documenter le processus de préparation de la mémoire tampon et de s’assurer que tout le monde suit la même procédure pour garantir la cohérence et la reproductibilité. La POS doit inclure des détails sur les matériaux utilisés et les étapes précises à suivre pour savoir quand et comment ajouter les composants et mesurer le pH. La POS peut également inclure de nombreux points mentionnés ci-dessous.
  
  
• Portez des vêtements de protection
  Un équipement de protection individuelle (EPI) approprié, par exemple des lunettes et des vêtements de protection, doit être porté, en particulier lorsque vous travaillez avec des acides ou des bases forts.
  
  
• Vérifier la contamination microbienne (en particulier dans les applications biologiques)
  Avant d’utiliser un tampon, vérifiez que le récipient n’est pas contaminé par des microbes. Les solutions tampons dont le pH est proche de la neutralité sont particulièrement sensibles à la contamination. Vous pouvez voir une certaine turbidité dans la solution ou des contaminants qui se sont déposés sur le fond.
  
  
• Utilisez correctement votre pH-mètre
  Votre pH-mètre doit être régulièrement étalonné et entretenu pour garantir des mesures de pH précises. L’électrode doit être correctement préparée avant utilisation et une solution tampon suffisante doit être utilisée pour s’assurer que la jonction de l’électrode est correctement immergée. Assurez-vous d’attendre une valeur de pH stable avant de prendre la lecture et rincez ensuite l’électrode à l’eau distillée. Assurez-vous d’utiliser votre pH-mètre à la température ambiante ou d’utiliser une électrode avec sonde de température intégrée.
  
  
• Soyez conscient de la température
  Le degré de dissociation peut varier avec la température. Votre solution tampon doit donc être préparée à la même température que celle à laquelle vous allez effectuer vos analyses. Assurez-vous également que la température à laquelle vous étalonnez l’électrode est la même que la température à laquelle vous mesurez.
  
  
• Soyez conscient de la concentration
  Il est courant de diluer les solutions tampons mères à la concentration requise pour être utilisées dans les analyses. Cependant, la modification de la concentration peut affecter le degré de dissociation. Comme le pH est une mesure des ions hydrogène (H⁺), un changement de dissociation peut provoquer un changement de pH. Après dilution, le pH doit être revérifié avant d’utiliser le tampon.