Relier le pH à la concentration en ions hydronium \([\text{H}_3\text{O}^+]\)
Calculer le pH à partir de \([\text{H}_3\text{O}^+]\) et inversement
Classer une solution comme acide, neutre ou basique
Mesurer le pH expérimentalement (pH-mètre, papier pH)
Introduction – Acide ou basique ?
Dans l'industrie chimique et cosmétique, contrôler l'acidité d'un produit est essentiel.
Un shampooing trop acide irrite le cuir chevelu ; un savon trop basique dessèche la peau.
Le pH est la grandeur qui permet de mesurer cette acidité ou cette basicité.
Exemple du quotidien
Le jus de citron a un pH voisin de 2 (très acide), l'eau pure a un pH de 7 (neutre) et l'eau de Javel a un pH voisin de 12 (très basique). Ces trois produits contiennent de l'eau, mais leur acidité est très différente.
1. Qu'est-ce que le pH ?
Définition
Le pH (potentiel hydrogène) est un nombre sans unité qui mesure le caractère acide ou basique d'une solution aqueuse.
Il est compris entre 0 et 14 (pour les solutions usuelles à 25 °C).
L'échelle de pH
← AcideNeutreBasique →
01234567891011121314
Propriété
Si pH < 7 : la solution est acide
Si pH = 7 : la solution est neutre
Si pH > 7 : la solution est basique (ou alcaline)
Exemples
Solution
pH approximatif
Caractère
Acide chlorhydrique concentré
0 – 1
Très acide
Vinaigre
2,5 – 3
Acide
Lait
6,5 – 6,8
Légèrement acide
Eau pure
7
Neutre
Savon
9 – 10
Basique
Soude (NaOH)
13 – 14
Très basique
2. Les ions hydronium H3O+
L'acidité d'une solution est due à la présence d'ions hydronium \(\text{H}_3\text{O}^+\).
Plus il y a d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) dans la solution, plus elle est acide.
Définition
La concentration en ions hydronium, notée \([\text{H}_3\text{O}^+]\), s'exprime en mol/L (moles par litre).
Elle indique la quantité d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) présents dans un litre de solution.
PropriétéPlus \([\text{H}_3\text{O}^+]\) est grande, plus le pH est faible (solution acide). Plus \([\text{H}_3\text{O}^+]\) est petite, plus le pH est élevé (solution basique).
3. Relation entre pH et \([\text{H}_3\text{O}^+]\)
Formule fondamentale
$$\text{pH} = -\log\left([\text{H}_3\text{O}^+]\right)$$
où \([\text{H}_3\text{O}^+]\) est exprimée en mol/L.
MéthodeCalculer le pH à partir de \([\text{H}_3\text{O}^+]\)
Repérer la valeur de \([\text{H}_3\text{O}^+]\) en mol/L
Calculer \(-\log([\text{H}_3\text{O}^+])\) à la calculatrice
Le résultat est le pH (sans unité)
Exemple 1
Une solution a \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-3}\) mol/L. Calculer son pH.
\(\text{pH} = -\log(10^{-3}) = -(-3) = 3\)
Le pH vaut 3. La solution est acide.
Exemple 2
Une solution a \([\text{H}_3\text{O}^+] = 2{,}5 \times 10^{-5}\) mol/L. Calculer son pH.
\(\text{pH} = -\log(2{,}5 \times 10^{-5}) \approx 4{,}6\)
Le pH vaut environ 4,6. La solution est acide.
4. Calculer \([\text{H}_3\text{O}^+]\) à partir du pH
Formule inverse
$$[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}$$
MéthodeCalculer \([\text{H}_3\text{O}^+]\) à partir du pH
Repérer la valeur du pH
Calculer \(10^{-\text{pH}}\) à la calculatrice (touche \(10^x\))
Le résultat est \([\text{H}_3\text{O}^+]\) en mol/L
Exemple 3
Une solution a un pH = 5. Calculer \([\text{H}_3\text{O}^+]\).
Propriété
À 25 °C, l'eau pure a un pH égal à 7.
La concentration en ions hydronium de l'eau pure est :
$$[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-7} \text{ mol/L}$$
L'eau pure contient autant d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) que d'ions hydroxyde \(\text{OH}^-\) :
c'est pourquoi elle est neutre.
Attention
Le pH de l'eau pure vaut 7 à 25 °C. À d'autres températures, cette valeur change légèrement. En pratique, au laboratoire, on considère toujours pH = 7 comme référence de neutralité.
6. Tableau récapitulatif
pH
\([\text{H}_3\text{O}^+]\) (mol/L)
Caractère
1
\(10^{-1} = 0{,}1\)
Très acide
3
\(10^{-3} = 0{,}001\)
Acide
5
\(10^{-5} = 0{,}00001\)
Faiblement acide
7
\(10^{-7}\)
Neutre
9
\(10^{-9}\)
Faiblement basique
11
\(10^{-11}\)
Basique
14
\(10^{-14}\)
Très basique
Erreur fréquente
Quand le pH diminue de 1 unité, la concentration en \(\text{H}_3\text{O}^+\) est multipliée par 10 !
L'échelle de pH est logarithmique : une petite variation de pH correspond à une grande variation de concentration.
7. Mesurer le pH
a) Avec un pH-mètre
Le pH-mètre est un appareil électronique qui mesure le pH avec précision (au dixième près).
Il possède une sonde (ou électrode) que l'on plonge dans la solution.
Avant chaque mesure, il faut étalonner le pH-mètre avec des solutions de pH connu (solutions tampon).
b) Avec du papier pH
Le papier pH (ou papier indicateur universel) change de couleur au contact de la solution.
On compare la couleur obtenue à une échelle de teinte fournie. La précision est d'environ 1 unité de pH.
8. Applications professionnelles
En cosmétologie
Un technicien formulateur vérifie le pH d'une crème pour le visage. Le pH doit être compris entre 5 et 6 pour respecter le pH naturel de la peau (légèrement acide). Si le pH mesuré est de 7,2, la formulation est trop basique et doit être corrigée en ajoutant un acide.
En chimie industrielle
Dans une usine de traitement des eaux, un technicien chimiste contrôle le pH de l'eau traitée. L'eau potable doit avoir un pH compris entre 6,5 et 9. Si le pH est inférieur à 6,5, l'eau est trop acide et peut corroder les canalisations.
En plasturgie
Lors de la synthèse d'un polymère, le pH du milieu réactionnel doit être contrôlé. Un pH inadapté peut arrêter la réaction ou produire un polymère de mauvaise qualité.
À retenir
Le pH mesure l'acidité d'une solution aqueuse (0 à 14 à 25 °C)
\(\text{pH} = -\log([\text{H}_3\text{O}^+])\) et \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}\)
L'eau pure à 25 °C a un pH = 7 soit \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-7}\) mol/L
L'échelle de pH est logarithmique : 1 unité de pH = facteur 10 en concentration
Mini exercices – Vérifie ta compréhension
Exercice 1 – Calculer le pH d'une solution dont \([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-4}\) mol/L.
\(\text{pH} = -\log(10^{-4}) = 4\). La solution est acide.
Exercice 2 – Une solution a un pH = 9. Calculer \([\text{H}_3\text{O}^+]\). La solution est-elle acide ou basique ?
\([\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-9}\) mol/L. Comme pH > 7, la solution est basique.
Exercice 3 – Un technicien chimiste mesure \([\text{H}_3\text{O}^+] = 3{,}2 \times 10^{-6}\) mol/L dans un bain de rinçage. Calculer le pH et indiquer le caractère de la solution.
\(\text{pH} = -\log(3{,}2 \times 10^{-6}) \approx 5{,}5\). Comme pH < 7, la solution est acide.
Exercice 4 – Le pH d'un gel douche est 5,5 et celui d'un détergent ménager est 11,5. Lequel contient le plus d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) ? Combien de fois plus ?
Le gel douche (pH = 5,5) contient plus d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\).
Différence de pH : \(11{,}5 - 5{,}5 = 6\).
Le gel douche contient \(10^6 = 1\,000\,000\) fois plus d'ions \(\text{H}_3\text{O}^+\) que le détergent.