Un technicien de laboratoire prépare quatre échantillons. Ranger ces solutions de la plus acide à la plus basique : A (pH = 6), B (pH = 1), C (pH = 12), D (pH = 8).
On classe par pH croissant (du plus faible au plus élevé) : B (1) < A (6) < D (8) < C (12).
B est la plus acide, C la plus basique. A est faiblement acide, D faiblement basique.
Exercice 3
Un agent de traitement des eaux contrôle une eau potable. La réglementation impose un pH compris entre 6,5 et 9. Le pH mesuré est 5,8. L'eau est-elle conforme ? Est-elle acide ou basique ?
pH = 5,8 < 6,5 : l'eau est hors norme (non conforme).
Comme pH < 7, l'eau est acide. Une eau trop acide peut corroder les canalisations : il faut corriger le pH.
Exercice 4
Vrai ou faux ? Justifier chaque affirmation.
a) Une solution de pH = 4 est basique.
b) L'eau pure à 25 °C a un pH de 7 : elle est neutre.
c) Plus le pH est grand, plus la solution est acide.
a) Faux : pH = 4 < 7 donc la solution est acide.
b) Vrai : pH = 7 correspond à la neutralité.
c) Faux : plus le pH est grand, plus la solution est basique. C'est un pH faible qui traduit une solution acide.
C2 — Calculer le pH à partir de \([\text{H}_3\text{O}^+]\)
\(\text{pH} = -\log\left([\text{H}_3\text{O}^+]\right)\) avec \([\text{H}_3\text{O}^+]\) en mol/L.
À la calculatrice : taper \(-\log(\ldots)\) après avoir saisi la concentration.
Exercice 1
Une solution a une concentration \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-2}\) mol/L. Calculer son pH et indiquer son caractère.
\[\text{pH} = -\log(10^{-2}) = -(-2) = 2\]
pH = 2. Comme pH < 7, la solution est acide.
Exercice 2
L'eau pure à 25 °C a \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-7}\) mol/L. Vérifier par le calcul que son pH vaut 7.
\[\text{pH} = -\log(10^{-7}) = 7\]
pH = 7 : l'eau pure est bien neutre.
Exercice 3
Un œnologue analyse un vin dont \([\text{H}_3\text{O}^+] = 5{,}0 \times 10^{-4}\) mol/L. Calculer le pH (arrondi au dixième).
\[\text{pH} = -\log(5{,}0 \times 10^{-4}) \approx 3{,}3\]
pH ≈ 3,3. Le vin est acide, ce qui est caractéristique d'un vin.
Exercice 4
Un technicien de laboratoire mesure \([\text{H}_3\text{O}^+] = 2{,}0 \times 10^{-9}\) mol/L dans une solution de nettoyage. Calculer le pH et préciser le caractère de la solution.
\[\text{pH} = -\log(2{,}0 \times 10^{-9}) \approx 8{,}7\]
pH ≈ 8,7. Comme pH > 7, la solution est basique.
Exercice 5
Deux bains de rinçage sont analysés :
Bain
\([\text{H}_3\text{O}^+]\) (mol/L)
Bain 1
\(10^{-3}\)
Bain 2
\(10^{-6}\)
Calculer le pH de chaque bain. Lequel est le plus acide ?
Bain 1 : \(\text{pH} = -\log(10^{-3}) = 3\).
Bain 2 : \(\text{pH} = -\log(10^{-6}) = 6\).
Le bain 1 (pH = 3) est le plus acide : plus \([\text{H}_3\text{O}^+]\) est grande, plus le pH est faible.
C3 — Calculer \([\text{H}_3\text{O}^+]\) à partir du pH
\([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}\) (en mol/L).
À la calculatrice : touche \(10^x\) avec l'exposant \(-\text{pH}\).
Exercice 1
Une solution a un pH = 4. Calculer sa concentration en ions hydronium \([\text{H}_3\text{O}^+]\).
a) Calculer \([\text{H}_3\text{O}^+]\) pour chacune.
b) Combien de fois la solution de pH = 3 contient-elle plus d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) que celle de pH = 5 ?
a) pH = 3 : \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-3}\) mol/L. pH = 5 : \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-5}\) mol/L.
b) Rapport : \(\dfrac{10^{-3}}{10^{-5}} = 10^{2} = 100\). La solution de pH = 3 contient 100 fois plus d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\). L'échelle de pH est logarithmique : 2 unités de pH = facteur 100.
C4 — Prévoir l'effet d'une dilution sur le pH (qualitatif)
Diluer une solution acide (ajouter de l'eau) fait diminuer sa concentration en \(\text{H}_3\text{O}^+\) : la solution devient moins acide, son pH augmente (se rapproche de 7). Diluer une solution basique fait diminuer son pH (il se rapproche aussi de 7).
Exercice 1
Un technicien de laboratoire ajoute de l'eau distillée à une solution acide de pH = 3. Le pH va-t-il augmenter ou diminuer ? Justifier.
En ajoutant de l'eau, on dilue la solution : la concentration en \(\text{H}_3\text{O}^+\) diminue. La solution devient moins acide. Le pH augmente (il se rapproche de 7).
Exercice 2
Une solution basique a un pH = 11. On y ajoute une grande quantité d'eau. Vers quelle valeur le pH tend-il à se rapprocher ?
Diluer une solution basique fait diminuer son pH. Il se rapproche de la neutralité, c'est-à-dire de pH = 7. La solution devient de moins en moins basique.
Exercice 3
Un agent de traitement des eaux dispose d'un produit acide concentré très corrosif. Pourquoi le fait de le diluer dans beaucoup d'eau le rend-il moins dangereux (moins acide) ?
En diluant, on répartit les mêmes ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) dans un volume d'eau plus grand : la concentration \([\text{H}_3\text{O}^+]\) diminue. La solution devient moins acide, donc son pH augmente et se rapproche de 7. Elle est moins agressive.
Exercice 4
On mesure le pH d'une solution acide à chaque ajout d'eau :
Étape
pH mesuré
Solution de départ
2,0
Après 1er ajout d'eau
2,7
Après 2e ajout d'eau
3,4
Ces mesures sont-elles cohérentes avec l'effet d'une dilution ? Justifier.
Oui : le pH augmente à chaque ajout d'eau (2,0 → 2,7 → 3,4). C'est bien l'effet attendu d'une dilution sur une solution acide : elle devient de moins en moins acide, le pH se rapproche de 7.
C5 — Mesurer le pH d'une solution
Deux outils de mesure : le pH-mètre (précision au dixième, à étalonner avec des solutions tampon) et le papier pH (précision d'environ 1 unité, lecture par comparaison à une échelle de teinte).
Exercice 1
Citer les deux méthodes vues en cours pour mesurer le pH d'une solution et indiquer laquelle est la plus précise.
Les deux méthodes sont le pH-mètre et le papier pH.
Le pH-mètre est le plus précis (au dixième d'unité), contre environ 1 unité pour le papier pH.
Exercice 2
Pourquoi un technicien de laboratoire doit-il étalonner le pH-mètre avant chaque série de mesures ?
L'étalonnage, réalisé avec des solutions tampon de pH connu, garantit que l'appareil affiche la bonne valeur. Sans étalonnage, la mesure pourrait être faussée et conduire à un mauvais diagnostic (eau déclarée conforme à tort, par exemple).
Exercice 3
Un agent de traitement des eaux trempe une bandelette de papier pH dans un échantillon. La bandelette prend une couleur qu'il compare à l'échelle de teinte fournie ci-dessous. La teinte obtenue correspond à la case verte.
Échelle de teinte fournie avec le papier pH : à chaque couleur correspond une valeur de pH.
a) Quel est le pH de l'échantillon ?
b) La solution est-elle acide, neutre ou basique ?
a) La case verte correspond à pH ≈ 6.
b) pH ≈ 6 < 7 : la solution est légèrement acide.
Exercice 4
Un contrôle qualité exige de connaître le pH d'une crème cosmétique au dixième près (pH attendu entre 5,0 et 5,5). Le papier pH est-il adapté à ce contrôle ? Que faut-il utiliser ?
Non : le papier pH n'a qu'une précision d'environ 1 unité, insuffisante pour distinguer un pH de 5,0 d'un pH de 5,5.
Il faut utiliser un pH-mètre, préalablement étalonné, qui donne le pH au dixième.