Vidéo de la leçon: Calcul du pH Chimie

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre comment calculer le pH d’une solution, et comment décrire la constante de dissociation de l’eau. Nous allons également apprendre à calculer le pOH et examiner le lien entre le pH, le pOH et le produit ionique de l’eau. Avant de procéder à des calculs, revoyons d’abord les acides et les bases.

Selon la définition de Brønsted-Lowry, un acide est une substance qui peut perdre des protons lors d’une réaction. On peut considérer un acide de Brønsted-Lowry comme un donneur d’ions hydrogène. Par exemple, l’acide chlorhydrique peut donner un proton à l’eau pour produire un ion H3O+, hydronium, et un ion chlorure. À l’inverse, une base de Brønsted-Lowry est une substance qui peut gagner des protons lors d’une réaction. On peut considérer une base de Brønsted-Lowry comme un accepteur d’ions hydrogène. L’ammoniac est un exemple de base de Brønsted-Lowry. L’ammoniac peut accepter un proton d’une molécule d’eau pour produire un ion ammonium et un ion OH−, l’ion hydroxyde.

Vous pouvez remarquer dans la première réaction que l’eau accepte un ion hydrogène provenant d’une molécule d’acide chlorhydrique. Donc, l’eau dans cette réaction agit en tant que base de Brønsted-Lowry. Mais dans la deuxième réaction, l’eau donne un ion hydrogène à l’ammoniac et agit donc en tant qu’acide de Brønsted-Lowry. Ces deux réactions montrent que l’eau est une substance amphotère. Une substance amphotère est une substance qui peut se comporter à la fois comme un acide et une base. Et si l’eau peut se comporter à la fois comme un acide et comme une base, alors une réaction acido-basique peut se produire entre deux molécules d’eau. Une molécule d’eau peut jouer le rôle d’un acide et donner un ion hydrogène à l’autre molécule d’eau qui joue le rôle d’une base.

Les produits de cette réaction sont un ion hydronium et un ion hydroxyde. La réaction acido-basique entre deux molécules d’eau est appelée autoprotolyse (ou auto-ionisation) de l’eau. Cette réaction est parfois simplifiée en omettant l’une des molécules d’eau. La réaction écrite de cette façon montre la dissociation de l’eau en ions hydrogène et hydroxyde. Les ions hydrogène libres n’existent techniquement pas en solution car ils réagissent immédiatement avec d’autres molécules d’eau pour former des ions hydronium. Comme tous les ions hydrogène en solution sont immédiatement convertis en ions hydronium, il est courant dans la chimie des acides et bases d’écrire H+ comme abréviation de H3O+.

L’autoprotolyse de l’eau se produit dans tous les échantillons aqueux. Cependant, l’équilibre est très fortement déplacé vers la gauche. Cela signifie que seul un très petit nombre de molécules d’eau réagit pour produire des ions hydronium et des ions hydroxyde à un moment donné. La concentration des ions hydronium et hydroxyde est donc très faible. En fait, dans un échantillon d’eau pure à 25 degrés Celsius, la concentration des ions hydronium et hydroxyde n’est que de 0,0000001 mole par litre, soit une fois 10 puissance moins sept molaire.

Puisque l’autoprotolyse de l’eau est une réaction d’équilibre, la relation entre les concentrations des produits et des réactifs à l’équilibre, à une température donnée, peut être exprimée avec une constante d’équilibre. Pour la réaction donnée, on peut écrire la formule d’équilibre suivante pour calculer la constante d’équilibre. Dans l’équation de la réaction et la formule, les lettres majuscules représentent les formules chimiques des réactifs et des produits. Les lettres minuscules représentent les coefficients molaires. Et les crochets indiquent qu’on doit utiliser la concentration en moles par litre.

Appliquons ce que nous savons des constantes d’équilibre à l’autoprotolyse de l’eau. On peut remplacer C et D majuscules par l’hydronium et l’hydroxyde, et A et B majuscules par l’eau. Les coefficients molaires sont tous de un. Comme seule une très petite quantité d’eau réagit pendant l’autoprotolyse, la concentration en eau reste pratiquement inchangée, donc on peut omettre l’eau dans l’expression. Ainsi, la constante d’équilibre pour l’autoprotolyse de l’eau est égale à la concentration des ions hydronium multipliée par la concentration des ions hydroxyde. Cette constante d’équilibre porte le symbole K indice w et elle est appelée le produit ionique de l’eau.

Les constantes d’équilibre, et donc le produit ionique de l’eau, dépendent de la température. Nous avons dit plus tôt dans la vidéo que la concentration des ions hydronium et hydroxyde dans l’eau pure à 25 degrés Celsius est de une fois 10 puissance moins sept molaire. On peut utiliser ces concentrations dans la formule du produit ionique de l’eau, pour trouver que cette constante est égale à une fois 10 puissance moins 14, à 25 degrés Celsius.

Notez que bien que nous ayons multiplié deux concentrations, le produit ionique de l’eau est donné comme une valeur sans dimension. La raison de cela dépasse le cadre de cette vidéo. Nous devons simplement reconnaître que lorsqu’on utilise la formule du produit ionique de l’eau, les concentrations doivent toujours être en moles par litre et la constante du produit ionique de l’eau sera toujours indiquée comme une valeur sans dimension.

Considérons trois béchers d’eau pure à 25 degrés Celsius. Dans chaque bécher, la concentration des ions hydronium et des ions hydroxyde est la même. Lorsque les concentrations sont égales, on considère que la substance est neutre. Si on ajoute un acide à l’un des béchers, tel que l’acide chlorhydrique, la concentration des ions hydronium augmente. Comme le produit ionique de l’eau est égal à la concentration des ions hydronium multipliée par la concentration des ions hydroxyde, une augmentation de la concentration des ions hydronium doit correspondre à une diminution de la concentration des ions hydroxyde. Donc, les solutions acides auront une plus grande concentration en ions hydronium qu’en ions hydroxyde.

Et c’est le contraire pour les solutions basiques. L’ajout d’une base augmente la concentration des ions hydroxyde, ce qui correspond à une diminution de la concentration des ions hydronium. Donc, dans les solutions basiques, la concentration des ions hydronium est inférieure à la concentration des ions hydroxyde. Quand on utilise des concentrations pour déterminer si une solution est acide, basique ou neutre, on regarde généralement la concentration des ions hydronium. On peut donc dire que lorsque la concentration des ions hydronium est supérieure à une fois 10 puissance moins sept molaire, la solution est acide. Et lorsque la concentration est inférieure à une fois 10 puissance moins sept molaire, la solution est basique. Il n’est pas très pratique de travailler avec des concentrations en ions hydronium, car les valeurs ont tendance à être très petites. Voici la concentration des ions hydronium dans de l’eau pure à 25 degrés Celsius, ainsi que les concentrations approximatives des ions hydronium dans l’ammoniaque et dans l’acide gastrique.

Pour simplifier le travail avec ces concentrations, le chimiste danois Soren Sorensen a proposé l’utilisation du pH en 1909. Le pH est un moyen de représenter la concentration des ions hydronium et on le calcule en prenant la valeur négative du logarithme de la concentration des ions hydrogène. Rappelez-vous que les ions hydrogène sont souvent utilisés de manière interchangeable avec les ions hydronium en chimie des acides et des bases. Pour le reste de cette vidéo, nous utiliserons des ions hydrogène à la place des ions hydronium. L’équation du pH utilise un logarithme de base 10. Pour mieux comprendre cette fonction, considérons un nombre multiple de 10. Par exemple, 1 000 est égal à 10 fois 10 fois 10, ou 10 puissance trois. Le logarithme de base 10 de 𝑥 est égal à la puissance à laquelle 10 doit être élevé pour obtenir la valeur 𝑥. Comme le nombre 1 000 est égal à 10 puissance trois, le log de 1 000 est trois.

Regardons le logarithme d’un nombre inférieur à un. 0,001 est égal à un divisé par 10 fois 10 fois 10, soit 10 puissance moins trois. Donc, le log de 0,001 est moins trois. Maintenant que nous comprenons les bases des logarithmes, calculons le pH de l’acide gastrique, de l’eau pure et de l’ammoniaque. Nous allons d’abord calculer le logarithme de la concentration des ions hydrogène. On aura des valeurs négatives car les concentrations sont inférieures à un. Ensuite, étant donné que le pH est égal la valeur négative du log de la concentration en ions hydrogène, on doit changer le signe, et on obtient les valeurs de pH 11, sept et deux.

Notez que bien que la concentration en ions hydrogène soit en molaire ou en moles par litre, le pH est une valeur sans dimension. Pour mesurer le pH d’une solution, on peut utiliser un pH-mètre. Si on connaît le pH, on peut alors facilement calculer la concentration des ions hydrogène en utilisant la formule « concentration des ions hydrogène égale 10 puissance moins pH ». Par exemple, le café a un pH d’environ cinq. Si on substitue la valeur du pH dans la formule, on obtient une concentration en ions hydrogène de 10 puissance moins cinq ou 0,00001 molaire. La soude caustique a un pH d’environ 14. Donc, la concentration en ions hydrogène est de 10 puissance moins 14 molaire.

Faisons maintenant le lien entre la concentration des ions hydrogène, le pH et la concentration des ions hydroxyde. La concentration en ions hydrogène d’une solution est généralement comprise entre une fois 10 puissance moins 14 molaire et un molaire. Ces concentrations correspondent à des valeurs de pH allant de zéro à 14, ce qu’on appelle l’échelle de pH. L’échelle de pH est souvent accompagnée d’un graphique qui montre, pour chaque valeur de pH, la couleur d’une solution à laquelle un indicateur universel a été ajouté. Nous savons déjà que l’eau pure est considérée comme neutre. Les solutions sont acides lorsqu’elles ont une concentration en ions hydrogène plus grande que celle de l’eau pure. Et les solutions sont basiques lorsqu’elles ont une concentration en ions hydrogène plus faible que celle de l’eau pure. Donc, les solutions ayant un pH de sept sont neutres, les solutions ayant un pH inférieur à sept sont acides et les solutions ayant un pH supérieur à sept sont basiques.

Ajoutons au graphique la concentration des ions hydroxyde. Si on suppose que la température est de 25 degrés Celsius, on peut fixer le produit ionique de l’eau à une fois 10 puissance moins 14. Pour calculer la concentration en ions hydroxyde du café, on substitue la concentration en ions hydrogène dans la formule et on fait le calcul. On obtient alors une fois 10 puissance moins neuf. Le produit ionique de l’eau est sans dimension, mais il faut reconnaître que la concentration des ions hydroxyde doit avoir l’unité « molaire ». En utilisant la formule du produit ionique de l’eau, on peut calculer toutes les concentrations en ions hydroxyde.

On peut simplifier la concentration des ions hydroxyde en utilisant pOH. Le pOH est égal à la valeur négative du logarithme de la concentration des ions hydroxyde. Ainsi, le pOH de la soude caustique est égal à moins log de un, qui est zéro. Et le pOH de l’ammoniaque est égal à moins log de une fois 10 puissance moins trois, ce qui donne trois. Nous pouvons utiliser la formule du pOH pour remplir le reste du tableau. Nous savons qu’on peut calculer la concentration des ions hydrogène si le pH est connu. De même, on peut calculer la concentration des ions hydroxyde si le pOH est connu, en utilisant la formule « concentration des ions hydroxyde égale 10 puissance moins pOH ».

Nous pouvons voir à partir du graphique que les solutions neutres ont une concentration en ions hydroxyde de une fois 10 puissance moins sept molaire, et un pOH de sept. L’acidité d’une solution augmente avec la diminution de la concentration en ions hydroxyde et l’augmentation du pOH, tandis que la basicité d’une solution augmente avec l’augmentation de la concentration en ions hydroxyde et la diminution du pOH. Nous pouvons également remarquer sur le graphique que la somme du pH et du pOH d’une solution est égale à 14. Cette équation nous permet de relier facilement le pH et le pOH.

Globalement, le pH, le pOH, la concentration des ions hydrogène et la concentration des ions hydroxyde peuvent être reliés entre eux par six équations différentes. Si on connaît une seule grandeur, on peut déterminer les trois autres. Il est important de reconnaître que les équations « pH plus pOH égal 14 » et « concentration des ions hydrogène fois concentration des ions hydroxyde égal un fois 10 puissance moins 14 » sont uniquement valables lorsque la solution est à 25 degrés Celsius.

Maintenant, résumons ce que nous avons appris. L’autoprotolyse de l’eau est une réaction d’équilibre acido-basique entre deux molécules d’eau. Cette réaction peut être exprimée par le produit ionique de l’eau, qui est égal à une fois 10 puissance moins 14, à 25 degrés Celsius. Le pH est une représentation de la concentration des ions hydronium en solution. En chimie des acides et des bases, les ions hydrogène sont souvent utilisés à la place des ions hydronium. Si le pH est connu, on peut déterminer la concentration des ions hydrogène en prenant « 10 puissance moins pH ». Le pOH est une représentation de la concentration des ions hydroxyde.

Comme pour la concentration des ions hydrogène à partir du pH, on peut déterminer la concentration des ions hydroxyde à partir du pOH. À 25 degrés Celsius, la somme du pH et du pOH est de 14. Les solutions qui ont des concentrations en ions d’hydrogène et hydroxyde identiques ont un pH et un pOH de sept et elles sont neutres. Les solutions qui ont une concentration en ions hydrogène plus grande que la concentration en ions hydroxyde ont un pH inférieur à sept, un pOH supérieur à sept, et elles sont acides. Les solutions qui ont une concentration en ions hydroxyde plus grande que la concentration en ions hydrogène ont un pH supérieur à sept, un pOH inférieur à sept, et elles sont basiques.