La notion de pH
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir le pH d'une solution aqueuse diluée par [H3O+] = 10-pH ;
• mesurer un pH avec un papier pH ou un pH-mètre ;
• calculer [H3O+] et [OH-] à partir de la valeur du pH, et inversement ;
• interpréter l'échelle de pH : solution acide, neutre ou basique ;
• prévoir l'effet d'une dilution sur le pH et classer des produits courants d'après leur pH.
Prérequis : concentration molaire, produit ionique de l'eau [H3O+].[OH-] = 10-14 à 25 °C.
Situation de départ
Sur un flacon de shampooing, on lit « pH neutre » ; sur une bouteille d'eau minérale, « pH = 7,5 » ; un jardinier vérifie le « pH du sol » avant de planter ses tomates. Que signifie ce nombre, sans unité, qu'on trouve sur tant d'étiquettes ? Et comment le mesure-t-on ?
I. Pourquoi définir le pH ?
Pour caractériser l'acidité ou la basicité d'une solution aqueuse, on peut utiliser sa concentration [H3O+]. Mais ces concentrations sont des nombres très petits et peu commodes : 10-2, 3,2.10-5, 10-11 mol.L-1... En 1909, le chimiste danois Søren Sørensen (1868-1939) a proposé une grandeur plus pratique, liée à [H3O+] : le pH.
II. Définition du pH
Le pH est un nombre sans unité, lié à la concentration molaire des ions hydronium d'une solution aqueuse diluée par la relation :
Cette relation n'est valable que pour les solutions diluées : en pratique, pour des concentrations molaires comprises entre 10-6 et 5.10-2 mol.L-1 environ.
• Une solution a un pH = 3,4 : [H3O+] = 10-3,4 ≈ 4,0.10-4 mol.L-1 (touche 10x de la calculatrice), puis [OH-] = 10-144,0.10-4 = 2,5.10-11 mol.L-1.
• Une solution a [OH-] = 10-2 mol.L-1 : [H3O+] = 10-14/10-2 = 10-12 mol.L-1, donc pH = 12.
Quelques solutions à 25 °C
| Solution | [H3O+] (mol.L-1) | [OH-] (mol.L-1) | pH |
|---|---|---|---|
| eau pure | 10-7 | 10-7 | 7 |
| acide chlorhydrique à 10-2 mol.L-1 | 10-2 | 10-12 | 2 |
| soude à 10-2 mol.L-1 | 10-12 | 10-2 | 12 |
III. Mesurer le pH
1. Avec un papier pH
Le papier pH (en rouleau ou en languettes) est imprégné d'un mélange d'indicateurs colorés : il change de couleur selon le pH. Méthode à la touche : on pose un petit morceau de papier dans une soucoupe propre, on y dépose une goutte de solution avec une baguette de verre propre et sèche, puis on compare la teinte obtenue aux teintes de référence de la boîte.
2. Avec un pH-mètre
Le pH-mètre est formé d'une sonde de mesure reliée à un boîtier électronique. Avant de l'utiliser, on l'étalonne avec des solutions de pH connu. Avant chaque mesure, on rince la sonde à l'eau distillée, on la plonge dans la solution et on lit le pH quand l'affichage est stabilisé.
Deux méthodes de mesure
| Papier pH | pH-mètre | |
|---|---|---|
| Rapidité | très rapide | plus long (étalonnage) |
| Précision | à 0,5 ou 1 unité près | à 0,1 ou 0,01 unité près |
| Utilisation | une goutte suffit | il faut plonger la sonde |
IV. L'échelle de pH
1. pH et acidité
Une solution d'acide chlorhydrique à 10-3 mol.L-1 a un pH voisin de 3. Si on la dilue en ajoutant de l'eau distillée, son pH augmente : [H3O+] diminue. Inversement, si l'on ajoute de l'acide à de l'eau distillée (pH voisin de 7), le pH diminue : [H3O+] augmente.
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