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Fiche explicative de la leçon : L’échelle de pH Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à définir le pH comme une mesure logarithmique de la concentration en acide et à l’utiliser pour déterminer l’acidité ou la basicité relative d’une substance.

Il existe plusieurs façons de définir un acide. Selon la définition d’Arrhénius, les acides sont des substances qui libèrent des ions hydrogène, tandis que les bases sont des substances qui libèrent des ions hydroxyde.

Définition : Acide d’Arrhénius

Il s'agit d'une substance qui produit des ions hydrogène (H+) ou qui augmente la concentration en ions hydrogène lorsqu’elle est dissoute dans l’eau.

Définition : Base d’Arrhénius

Il s'agit d'une substance qui produit des ions hydroxyde (OH) ou qui augmente la concentration en ions hydroxyde lorsqu’elle est dissoute dans l’eau.

L’acidité d’une substance dépend de sa concentration en ions hydrogène, qui s'exprime sous forme de [H+]. Si nous considérons un acide quelconque HA, il se dissociera pour libérer des ions hydrogène dans l’eau:HA()H()+A()aqaqaq+

Cependant, les ions hydrogène n’existent généralement pas seuls dans l’eau. Ils se combinent avec des molécules d’eau pour former des ions hydronium dont la formule chimique est HO3+. Cette idée est exprimée par la définition de Brønsted–Lowry qui stipule que les acides sont des substances qui peuvent donner un ion hydrogène, tandis que les bases sont des substances qui acceptent un ion hydrogène. La dissolution d’un acide quelconque selon la définition de Brønsted–Lowry est représentée comme suit:HA()+HO()A()+HO()aqlaqaq23+

Dans cette équation, plutôt que de simplement libérer des ions hydrogène, l’acide donne un ion hydrogène à une molécule d’eau. Lorsque nous déterminons l’acidité, nous devons connaître la concentration en ions hydronium, [HO3+].

Les chimistes utilisent souvent [H+] et [HO3+] de manière interchangeable. Il est plus simple de faire référence aux ions hydrogène seuls, mais il est plus précis de faire référence aux ions hydronium. Dans les deux cas, il est important de reconnaître que les deux modèles décrits ici représentent des façons différentes de décrire le même processus chimique.

Lorsque nous comparons deux acides, celui qui a la plus forte concentration en ions hydrogène ou hydronium sera plus acide. Les scientifiques cherchaient un moyen de faire référence à l’acidité ou à la basicité d’une substance sans inclure la concentration spécifique de l’ion, qui peut parfois être un nombre difficile à manipuler. Nous pouvons décrire de manière élégante l’acidité ou la basicité d’une solution avec l’échelle de pH.

Un exemple d’échelle de pH est illustré sur la figure suivante. L’échelle de pH va de 0 à 14, où 0 est le plus acide et 14 est le plus basique. L’eau, dont le pH est de 7, est considérée comme étant neutre. Une substance dont le pH est inférieur à 7 est acide, tandis qu’une substance dont le pH est supérieur à 7 est basique.

Plus la concentration en ions hydronium est élevée, plus la substance est acide et plus le pH est bas. Le café a un pH de 5 et est donc légèrement acide. Le suc gastrique a un pH de 1 et est extrêmement acide. En comparant ces deux acides, nous trouverions une concentration beaucoup plus élevée en ions hydronium dans le suc gastrique que dans le café.

Pour les solutions basiques, un pH plus élevé indique une concentration plus élevée en ions hydroxyde. Les blancs d’œufs ont un pH de 9 et sont légèrement basiques, tandis qu’un nettoyant pour canalisation a un pH de 14 et est extrêmement basique. Le nettoyant pour canalisation a une concentration en ions hydroxyde en solution beaucoup plus élevée que le blanc d’œuf.

Lorsque la concentration en ions hydronium et en ions hydroxyde est la même, la solution est neutre. L’eau pure est une substance neutre dont le pH est de 7. Dans la figure suivante, elle se situe exactement entre les acides à gauche et les bases à droite.

Il convient de noter que l’échelle de pH décrite jusqu’à maintenant est plus précise à une température de 25C. La variation de la température d’une solution affecte la capacité d'un acide à former des ions hydronium, ce qui affecte le pH et déplace ainsi l’échelle de pH.

Exemple 1: Déterminer si une solution avec un pH donné est acide, basique ou neutre

Le café a un pH de 5. Est-il acide, basique ou neutre?

Réponse

Afin de pouvoir répondre à cette question, nous devons savoir quelles valeurs de pH correspondent à des solutions acides, basiques et neutres. À 25C, une solution neutre a un pH de 7, une solution basique a un pH supérieur à 7 et une solution acide a un pH inférieur à 7.

Comme il a un pH inférieur à 7, le café est acide.

L’échelle de pH est une échelle logarithmique qui indique la concentration en ions hydrogène, [H+].

Sur une échelle logarithmique comme celle du pH, le fait d'augmenter ou de diminuer le pH de 1 unité correspond à une variation de la concentration en ions hydrogène de dix. Une solution avec un pH de 4 a une concentration en ions hydrogène dix fois plus grande qu’une solution avec un pH de 5. Une solution avec un pH de 6 a une concentration en ions hydrogène dix fois moins grande qu'une solution avec un pH de 5, et cent fois moins grande qu'une solution avec un pH de 4. Le tableau suivant peut nous aider à mieux visualiser cette différence.

Pour calculer l'ampleur de la différence de concentration lors de bonds plus grands sur l’échelle, nous pouvons simplement utiliser des puissances de 10. Une variation de pH de 2 unités représente une variation de concentration de 10 ou 100. Une variation de pH de 3 unités représente une variation de concentration de 10 ou 1 000. Une variation de pH de 6 unités représente une variation de concentration de 10 ou 1 000 000.

Exemple 2: Déterminer la variation de la concentration à partir de la variation du pH

Une solution acide a un pH de 1. Lors de l’ajout d’un petit volume de base, le pH passe à 3. De quel facteur la concentration en ions H+ a-t-elle variée?

Réponse

Pour répondre à cette question, nous devons connaître la relation entre le pH et la concentration en ions hydrogène. Nous devons déterminer le facteur de variation ainsi que le sens de cette variation.

Étant donné que le pH est une échelle logarithmique, une variation d’une unité de pH signifie que la concentration en ions varie par un facteur 10. Une variation de deux unités de pH signifie que la concentration varie par un facteur de 10×10 ou, en d’autres termes, par un facteur de 100.

Nous devons maintenant déterminer le sens de cette variation. Comme le pH augmente, la solution devient plus basique et donc moins acide, ce qui signifie que la concentration en ions hydrogène diminue.

En combinant ces deux informations, nous pouvons écrire notre réponse finale. La concentration en ions hydrogène a été divisée par 100.

Jusqu’à présent, nous avons considéré uniquement la concentration en ion hydrogène ou [H+], mais une échelle similaire peut être construite en utilisant la concentration en ions hydroxyde ou [OH].

Une solution ayant une concentration élevée en ions hydrogène aura une concentration faible en ions hydroxyde. Une solution avec une concentration élevée en ions hydroxyde aura une concentration faible en ions hydrogène.

Nous ne pouvons pas avoir une solution ayant des concentrations élevées de ces deux ions en même temps, car les ions hydrogène et les ions hydroxyde réagiraient ensemble pour former des molécules d’eau, ce qui déplacerait le pH vers la neutralité.

Afin d'inclure la concentration en ions hydroxyde, nous pouvons examiner le pOH. Nous calculons le pOH de la même manière que le pH, mais en utilisant la concentration en ions hydroxyde plutôt qu'en ions hydrogène. Le résultat est que l’échelle de pOH est le miroir de l’échelle de pH. À 25C, la somme des valeurs de pH et de pOH d’une solution est égale à 14. Si nous voulons calculer le pH mais que nous avons seulement la concentration en ions hydroxyde, nous pouvons calculer la valeur de pOH et la soustraire de 14.

Relation : La relation entre le pH et le pOH d’une solution à 25C

Le pH et le pOH d’une solution à 25C sont reliés par l’équation suivante:pHpOH=14.

Une valeur de pOH élevée indique une concentration faible en ions hydroxyde et donc une solution acide. Une valeur de pOH faible indique une concentration élevée en ions hydroxyde et donc une solution basique. Le café, avec un pH de 5 et un pOH de 9, est légèrement acide. Un nettoyant pour canalisation, avec un pH de 14 et un pOH de 0, est extrêmement basique.

Exemple 3: Déterminer si une solution d’un pOH donné est acide, basique ou neutre

Le jus d’orange a un pOH de 9,8. Est-il acide, basique ou neutre?

Réponse

Afin de pouvoir répondre à cette question, nous devons connaître les gammes de valeurs de pOH pour les solutions acides, basiques et neutres.

L’échelle de pOH est l’inverse de l’échelle de pH. Les solutions acides ont un pOH supérieur à 7, tandis que les solutions basiques ont un pOH inférieur à 7. Les solutions neutres ont un pOH de 7.

Avec un pOH supérieur à 7, le jus d’orange est une solution acide.

Pour éviter la confusion entre le pH et le pOH, nous pouvons également calculer le pH du jus d’orange. Une solution avec un pOH de 9,8 aura un pH de 4,2 étant donné que la somme des valeurs de pH et de pOH est égale à 14 à 25C. Une solution avec un pH de 4,2 est acide.

Nous pouvons observer de manière expérimentale comment le pH d’une solution aqueuse varie lorsque nous neutralisons un acide avec une base ou inversement. Le graphique suivant montre comment le pH d’un acide fort comme le HCl varie lors de l’ajout d’une base forte comme l'hydroxyde de sodium (NaOH).

Au départ, le pH varie progressivement au fur et à mesure que les ions hydroxyde de la base réagissent avec les ions hydrogène de l’acide pour former des molécules d’eau. Cela qui a pour effet de diminuer lentement la concentration en ions hydronium dans la solution et d'augmenter ainsi le pH.

Lors de l’ajout supplémentaire de base, le pH commence à varier plus rapidement au fur et à mesure que la concentration en ions hydronium devient égale à celle en ions hydroxyde. Ce point sera éventuellement atteint et dépassé, ce qui mènera à un plus grand nombre d’ions hydroxyde par rapport aux ions hydronium. Lorsque cela se produit, le pH augmente soudainement et la solution devient rapidement plus basique.

Lorsque le pH augmente pour devenir de plus en plus basique, l'ajout de la même quantité de solution augmente de moins en moins le pH, ce qui entraîne un aplatissement de la courbe de pH.

Exemple 4: Identifier le graphique qui indique la variation du pH lors du mélange d’un acide avec une base

Au cours d'une expérience, une solution à 1 mol/L de HSO24 a été déposée dans un bécher. Une solution de NaOH est ajoutée au bécher à intervalles réguliers et le pH a été mesuré en continu. Lequel des graphiques suivants illustre comment le pH variera au cours de cette expérience?

Réponse

Cette question vise à déterminer le graphique qui illustre la variation du pH au cours d’une réaction. Nous débutons avec un acide, le HSO24, et nous y ajoutons lentement une base, le NaOH.

Lorsque nous commençons par une solution acide, le pH est susceptible d’être bas. L’ajout d’une solution basique à une solution acide ne peut que faire augmenter le pH. Les choix de réponse B et C montrent un pH décroissant et ne représentent donc pas la bonne réponse.

Lorsque nous ajoutons une solution basique à un acide, les ions hydroxyde neutralisent les ions hydrogène et finissent par les neutraliser tous afin de générer une solution basique.

Au début de ce processus, le pH augmente lentement, car il y a une très forte concentration en ions hydrogène. Un point à partir duquel le pH variera plus rapidement sera ensuite atteint. À ce stade, la solution est neutralisée. Une fois que la solution est neutralisée et qu’il y a davantage d’ions hydroxyde que d'ions hydrogène, le pH continue d’augmenter, mais à un rythme plus progressif.

Ce processus constitué d’une augmentation initiale lente, suivie d’une augmentation rapide et d’une augmentation finale lente est exactement la forme de la courbe que nous pouvons observer dans le choix de réponse D. La bonne réponse est donc le choix D.

Définition : Indicateur de pH

Un indicateur de pH est une substance qui change de couleur dans un certain intervalle de valeurs de pH.

Nous pouvons utiliser une variété de produits chimiques connus en tant qu’indicateurs afin d'obtenir une valeur approximative du pH d’une solution. Un indicateur changera de couleur dans un certain intervalle de pH. Par exemple, le méthylorange est rouge jusqu’à un pH de 3,0, orange de 3,0 à 4,4 et jaune à des pH supérieurs à 4,4. Les couleurs associées aux valeurs de pH de plusieurs indicateurs communs sont indiquées sur la figure suivante.

Si nous ajoutons du méthylorange à une solution de pH inconnu et que l’indicateur devient jaune, nous pourrons savoir que le pH de la solution est compris entre 4,4 et 14. Ces indicateurs fournissent un intervalle de valeurs pour le pH d'une solution, mais pas une mesure précise.

Afin d'obtenir plus de précision, les scientifiques ont développé un mélange d’indicateurs appelé « indicateur universel » qui fournit un spectre de couleurs à travers l’échelle de pH.

Les couleurs de l’indicateur universel sont indiquées sur la figure suivante, avec le rouge représentant un pH de 0-1, le vert représentant un pH de 7, et le violet représentant un pH de 14. L’utilisation de l’indicateur universel fournit un intervalle de valeurs de pH plus étroit que les autres indicateurs, ce qui nous permet d'obtenir une approximation du pH d'une solution à l’unité près. Alors que même les indicateurs universels sont imprécis, ils sont plus faciles à utiliser et moins chers que les sondes de pH numériques pour les usages quotidiens tels que l’entretien de la piscine et le jardinage.

Exemple 5: Estimer les valeurs de pH de certaines solutions par l’ajout d'un indicateur universel

Quelques gouttes d’indicateur universel ont été ajoutées à quatre flacons contenant des solutions inconnues. Lequel des ensembles de valeurs suivants fournit la meilleure estimation du pH de chaque solution?

  1. A = 11, B = 1, C = 5 et D = 7
  2. A = 5, B = 7, C = 11 et D = 1
  3. A = 5, B = 1, C = 11 et D = 7
  4. A = 1, B = 11, C = 7 et D = 5
  5. A = 7, B = 11, C = 5 et D = 1

Réponse

Cette question nous demande de faire correspondre les valeurs de pH aux solutions présentes dans les béchers en fonction de leur couleur. Le moyen le plus simple de résoudre ce problème serait de consulter un tableau de référence pour les couleurs et les valeurs de pH de l’indicateur universel, mais il existe un moyen de le résoudre intuitivement.

Les couleurs de l’indicateur universel suivent celles de l'arc-en-ciel, avec les solutions les plus acides passant au rouge et les solutions les plus basiques passant au violet. Parmi les quatre solutions, la rouge, D, a le pH le plus bas, suivie par la jaune, A, puis la verte, B, et enfin la bleue, C.

Seulement deux choix de réponse ont la solution rouge, D, comme celle ayant le pH le plus bas, soit les choix de réponse B et E. Seulement le choix B a la solution jaune comme prochain pH le plus bas. En vérifiant les deux dernières valeurs, nous pouvons confirmer que le choix de réponse B a la solution bleue comme pH le plus élevé et la solution verte comme deuxième plus élevé.

La consultation d'un tableau de référence pourrait confirmer notre réponse en indiquant que les solutions rouges ont un pH de 1, les solutions jaunes ont un pH de 5, les solutions vertes ont un pH de 7, et les solutions bleues ont un pH de 11.

La bonne réponse est le choix B.

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • L’échelle de pH nous indique l’acidité ou la basicité d’une solution. À 25C, un pH de 7 représente une solution neutre. Les valeurs supérieures à 7 sont basiques, tandis que les valeurs inférieures à 7 sont acides.
  • Plus spécifiquement, la valeur de pH d’une solution est une indication de sa concentration en ions hydrogène ou en ions hydronium.
  • L’échelle de pH est une échelle logarithmique, ce qui signifie qu’une variation d'une unité de pH représente une variation de ×10 de la concentration en ions hydrogène.
  • L’inverse de l’échelle de pH est l’échelle de pOH, qui indique la concentration en ions hydroxyde.
  • Au cours de la réaction d’un acide avec une base, le pH varie lorsque des ions hydronium et hydroxyde réagissent ensemble. Les variations de pH peuvent être utilisées pour suivre la réaction et déterminer le point où la solution passe d'acide à basique.
  • Des produits chimiques appelés « indicateurs » changent de couleur dans certains intervalles de pH. Ils peuvent être utiles pour fournir une approximation du pH d’une solution.

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