Lesson Explainer: Calcul du pH Chimie • Third Year of Secondary School

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à calculer le pH d’une solution et décrire le produit ionique de l’eau.

L’eau est une substance amphotère. Cela veut dire qu’une molécule d’eau peut agir à la fois en tant qu’acide et en tant que base. Et parce que l’eau peut agir à la fois en tant qu’acide et en tant que base, il peut se produire une réaction acido-basique entre deux molécules d’eau. Dans cette réaction acido-basique, la molécule d’eau qui joue le rôle d’acide perd un proton, et la molécule d’eau qui joue le rôle de base gagne un proton.

La réaction ci-dessus illustre ce qu’on appelle l’autoprotolyse de l’eau.

Cette réaction se produit dans tout échantillon d’eau, mais comme l’eau est à la fois un acide faible et une base faible, seule une petite fraction des molécules d’eau participent à cette réaction.

L’autoprotolyse de l’eau est une réaction d’équilibre, où les réactions dans le sens direct et dans le sens inverse se produisent à la même vitesse. Cela veut dire que la concentration des réactifs et des produits restera constante, même si les deux réactions ont toujours lieu. Pour toute réaction à l’équilibre, on peut déterminer une constante d’équilibre à partir de l’expression d’équilibre.

Pour la réaction où les lettres minuscules représentent les coefficients molaires et les lettres majuscules représentent les symboles chimiques, la constante d’équilibre s’écrit

Les crochets dans l’équation indiquent que nous devons utiliser la concentration de l’espèce pour résoudre l’équation. Les concentrations doivent être exprimées en molarité (mol/L).

On peut appliquer cette équation à l’autoprotolyse de l’eau : 

L’expression de l’équilibre pour l’autoprotolyse de l’eau serait

Comme il n’y a qu’une très petite quantité d’eau qui réagit pour produire des ions hydroxyde et hydronium, la concentration de l’eau reste pratiquement inchangée et peut être omise de l’équation. Cela conduit à l’équation suivante : 

Le est remplacé par pour indiquer qu’il s’agit de la constante d’équilibre pour l’autoprotolyse de l’eau. Cette expression correspond à ce qu’on appelle le « produit ionique de l’eau ».

Il est important de reconnaître que les ions hydronium () et les ions hydrogène () sont souvent utilisés de manière interchangeable dans les équations acido-basiques. Ainsi, l’expression du produit ionique de l’eau peut également être écrite

Dans un échantillon d’eau pure à , les concentrations des ions hydronium et hydroxyde sont toutes deux . Si on utilise ces concentrations dans l’expression du produit ionique de l’eau, on obtient une valeur égale à pour .

Comme il s’agit de la constante d’équilibre de l’eau à , cette expression est vraie pour toute solution aqueuse à . Notez que les valeurs de , [ ] et [ ] dépendent de la température de la solution. La variation de la température modifie la valeur de et la concentration des deux ions.

Les concentrations des ions hydronium et hydroxyde déterminent si la solution est acide, basique ou neutre. Les relations entre les concentrations de ces ions sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Les concentrations des ions hydroxyde et hydronium dans une solution sont souvent très faibles et donc plutôt écrites en notation scientifique. En 1909, le chimiste danois Soren Sorensen a proposé une méthode plus pratique pour représenter la concentration des ions hydronium, le pH. Le pH est une valeur sans unité déterminée en prenant le logarithme négatif de la concentration en ions hydrogène.

Le logarithme dans l’équation a pour but de produire une valeur plus pratique à utiliser. Le résultat d’un logarithme de base 10, tel qu’il est utilisé dans l’équation du pH, indique combien de fois le nombre 1 doit être multiplié ou divisé par 10 pour obtenir la valeur désirée.

Par exemple, pour donner la valeur 100, le nombre 1 doit être 2 fois multiplié par 10. Ainsi, le logarithme de 100 est 2 : 

Pour donner la valeur 0,001, le nombre 1 doit être 3 fois divisé par 10. Ainsi, le logarithme de 0,001 est -3. Le nombre négatif indique qu’on divise par 10 au lieu de multiplier : 

Les valeurs qui ne sont pas des multiples exacts de 10 auront des logarithmes qui ne sont pas des entiers. Le tableau ci-dessous montre des exemples de logarithmes de base 10.

Pour de l’eau pure à , la concentration en ions hydronium est . Cela signifie que le pH de l’eau pure à est 7 : 

Le tableau suivant montre les pH calculés de plusieurs solutions aqueuses à .

Nous avons dit plus tôt qu’une solution est neutre si , acide si , et basique si . Notez que les solutions acides ont un pH inférieur à 7, les solutions basiques ont un pH supérieur à 7 et les solutions neutres ont un pH égal à 7. L’échelle de pH ci-dessous donne un aperçu de certains acides et bases de la vie courante.

On peut souvent mesurer le pH d’une solution directement avec un pH-mètre, mais on peut aussi calculer le pH à partir de la concentration des ions hydronium dans la solution.

De la même façon que la concentration des ions hydronium peut être utilisée pour calculer le pH, la concentration des ions hydroxyde peut être utilisée pour calculer le pOH.

Le tableau ci-dessous donne les valeurs de pOH de différentes solutions aqueuses à .

Notez que le pOH d’une solution basique est inférieur à 7. Pour les solutions neutres, le pOH est égal à 7. Pour les solutions acides, le pOH est supérieur à 7. Cette tendance du pOH est exactement l’inverse de la tendance du pH. Nous pouvons aussi constater que la somme du pH et du pOH est égale à 14, ce qui nous permet de les lier facilement entre eux.

Le pH est lié à la concentration en ions hydronium. De la même manière, le pOH peut être utilisé pour déterminer la concentration en ions hydroxyde.

Globalement, les valeurs de pH, pOH, , et peuvent être reliées entre elles par six équations différentes. Si on connaît une seule de ces quatre valeurs, on peut en déduire les trois autres valeurs. Les relations entre ces différentes valeurs sont représentées dans le diagramme ci-dessous.