Tu as sûrement déjà entendu le terme pH (pour potentiel hydrogène) à plusieurs reprises, et tu l'associes probablement aux couleurs et aux concepts d'acide et de basique. Mais sais-tu vraiment ce que signifie un pH élevé ou faible, ou pourquoi l'échelle de pH va de \( 0 \) à \( 14 \) ? Par ailleurs, tu as peut-être entendu dire que le pH est une mesure de l'acidité d'une substance.
C'est vrai, mais à ce moment du cours, nous allons pousser la définition un peu plus loin - lis la suite, pour trouver ces réponses et d'autres encore !
Dans ce résumé de cours, nous allons définir ce qu'est le pH et ce que sont les acides et les bases.
Ensuite, nous examinerons l'échelle de pH.
Ensuite, nous allons parler des pH acide et pH basique.
Enfin, nous verrons comment calculer le pH des acides, des bases et des mélanges.
Que signifie pH ?
Le pH est le sigle de potentiel hydrogène.
Tu connais probablement l'échelle de pH :
Fig.1- L'échelle de pH.
Si tu devais deviner, où placerais-tu les substances suivantes sur l'échelle ?
Le vinaigre balsamique.
De la bière.
L'eau de mer.
Le savon pour les mains.
Fig.2- L'échelle de pH de substances de la vie courante.
Tu peux voir que l'échelle du pH va de \( 0 \) à \( 14 \) . Elle va même plus loin, mais les valeurs inférieures à \( 0 \) ou supérieures à \( 14 \) sont rares. Tu as peut-être entendu dire que le pH est une mesure de l'acidité d'une substance. C'est vrai, mais nous allons pousser la définition un peu plus loin à ce niveau de connaissances.
Définition du pH
Le pH, ou potentiel hydrogène, est une mesure de la concentration en ions hydrogène d'une solution.
Proton
Dans les acides et les bases de Brønsted-Lowry, nous avons défini un acide comme un donneur de protons. Les protons ne sont que des ions hydrogène, \( H^+ \) . Plus un acide est fort, plus il est capable de donner des protons, plus son pH est faible. En utilisant l'échelle ci-dessus, nous pouvons voir que le vinaigre balsamique est un acide beaucoup plus fort que le savon, par exemple - il donne plus de protons en solution.
Le chimiste danois Søren Peder Lauritz Sørensen, du laboratoire Carlsberg, a inventé l'échelle de pH en 1909. Il était brasseur et souhaitait contrôler soigneusement l'acidité de sa bière afin de favoriser une croissance saine des levures tout en empêchant le développement de bactéries indésirables. Cependant, il travaillait avec de minuscules concentrations d'acide, et les calculs devenaient compliqués. Il a donc décidé d'enregistrer ses réponses, puis de prendre la valeur négative de cette valeur pour obtenir une réponse positive.
Le H dans pH signifie hydrogène, mais, fait intéressant, personne ne sait vraiment d'où vient le p. Bien que Sørensen soit lui-même danois, il travaillait dans un laboratoire français dominé par les travaux scientifiques allemands. Les mots "pouvoir" et "potentiel" commencent par un p dans les trois langues, il pourrait donc s'agir de l'une d'entre elles. Cependant, Sørensen aurait pu simplement désigner la solution d'essai par p - d'où le nom de pH.
Potentiel hydrogène
Nous pouvons représenter le pH à l'aide de l'équation suivante :
$$ pH = -log_{10} [H^+_{(aq)}] $$
Ainsi, si nous connaissons la concentration d'ions hydrogène dans une solution, nous pouvons calculer le pH de cette solution.
Entraîne-toi à trouver la clé \( log_{10} \) sur ta calculatrice. Elle permet de taper les équations beaucoup plus rapidement.
Plus la concentration d'ions hydrogène dans une solution est élevée, plus le pH est faible, et vice versa. Un pH inférieur à \( 7 \) est acide, tandis qu'un pH supérieur à \( 7 \) est alcalin. On t'a peut-être dit par le passé qu'un pH de \( 7 \) était neutre, mais en réalité, la définition de la neutralité est différente.
Une solution neutre présente des concentrations égales d'ions hydrogène et d'ions hydroxyde.
Que sont les acides et les bases forts ?
Tu te souviens peut-être de l'article précédent : les acides sont des donneurs de protons. Dans une solution, ils se dissocient pour former des ions négatifs et des ions hydrogène positifs. Cette dissociation est également appelée ionisation. Il s'agit d'une réaction réversible, comme illustré ci-dessous :
$$ HA \rightleftharpoons H^+ + A^- $$
Cependant, certains acides sont très bons pour donner leurs ions hydrogène - si bons que la réaction est essentiellement à sens unique. On appelle ces acides des acides forts.
Un acide fort se dissocie complètement en solution.
On obtient l'équation suivante :
$$ HA \rightarrow H^+ + A^- $$
De même, nous pouvons obtenir des bases fortes.
Une base forte est une base qui se dissocie complètement en solution.
Si nous ajoutons une base forte à de l'eau, nous obtenons l'équation suivante :
$$ B+ H_2O \rightarrow BH^+ + HO^- $$
Échelle pH
Les acides forts ont un pH faible car ils ont une concentration élevée d'ions hydrogène dans la solution. Les exemples sont l'acide chlorhydrique \( (HCl ) \) (), l'acide nitrique \( (HNO_3) \) et l'acide sulfurique \( (H_2SO_4) \) .
Les bases fortes ont une faible concentration d'ions hydrogène dans la solution. Par conséquent, elles ont un pH élevé. C'est le cas, par exemple, de tous les hydroxydes du groupe \( 1 \) et du groupe \( 2 \) , comme l'hydroxyde de sodium \( NaOH \).
Fig. 3- Les gammes de pH typiques des acides et bases forts
pH acide
Rappelle-toi qu'un acide fort se dissocie complètement dans une solution aqueuse. Prenons l'exemple de l'acide chlorhydrique \( HCl \) .
PH de l'acide chlorhydrique
Trouve le pH de \( 0.1 mol \) d'acide chlorhydrique \( HCl \) dissous dans \( 0,5 dm^3 \) de l'eau.
Si nous mettons \( 0,1 mol \) d'acide chlorhydrique dans \( 0,5 dm^3 \) de l'eau, l'acide se dissociera complètement en \( 0,1 mol \) d'ions hydrogène, et \( 0,1 mol \) d'ions chlorure, .
Pour trouver la concentration, nous divisons le nombre de moles par le volume de la solution. Ainsi, pour trouver la concentration en ions hydrogène dans cette solution particulière, nous faisons :
$$ 0,1 \div 0,5 = 0,2 \space mol.dm^{-3} $$
Et maintenant ? Comment pouvons-nous trouver la valeur du pH ?
Eh bien, revenons à notre équation initiale du pH :
$$ pH = -log_{10} [H^+_{(aq)}]$$
Nous connaissons maintenant la concentration d'ions hydrogène dans la solution. Nous pouvons donc la substituer dans notre équation comme indiqué :
$$ pH = -log_{10}(0,2) = 0,70 $$
Note que le pH est toujours indiqué avec deux décimales. Il n'a pas non plus d'unité.
Ions d'hydrogène
Que se passe-t-il si tu connais le pH d'un acide fort et que tu souhaites trouver sa concentration en ions hydrogène ? Nous pouvons réarranger l'équation du pH pour \( [H^+] \) en faire le sujet. Tout d'abord, inverse le signe moins :
$$ -pH = log_{10}([H^+]) $$
Ensuite, prenons les anti-logs des deux côtés :
$$ 10^{-pH} = [H^+] $$
Et voilà ! Pour trouver la concentration en ions hydrogène, il suffit de substituer ta valeur de pH dans l'équation. Voici un exemple pour t'aider à mieux comprendre :
Le pH de \( 0,5 dm^3 \) d'une solution d'acide chlorhydrique est de \( 0,75 \) . Trouve le nombre de moles de \( HCl \) dans la solution.
Maintenant, nous connaissons le pH. Substituons-le dans notre équation :
$$ 10^{-0,75} = [H^+] $$
$$ [H^+]= 0,1778 $$
Cela nous donne la concentration d'ions hydrogène dans la solution. Mais, que savons-nous de l'acide chlorhydrique ? L'acide chlorhydrique est un acide fort qui se dissocie entièrement en solution. Par conséquent, la concentration de l'acide chlorhydrique est également \( 0,1778 mol/dm^3 \) .
Pour trouver le nombre de moles d'acide chlorhydrique dissous dans la solution, nous pouvons multiplier la concentration par le volume :
\( 0,1778 \times 0,5 = 0,089 \space mol \) à deux décimales près.
Attention, n'oublie pas de vérifier les unités de tes nombres avant d'effectuer tes calculs. La concentration \( [H^+] \) est toujours donnée en \( mol.dm^{-3} \) , alors assure-toi de convertir ton volume en \( dm^3 \) .
pH basique
Le calcul du pH des bases fortes est un peu plus délicat que le calcul du pH d'un acide fort - il y a une étape supplémentaire. Pour ce faire, il faut utiliser une valeur connue sous le nom de \( K_e \) .
\( K_e \) est également connu sous le nom de produit ionique de l'eau. Il a l'équation suivante :
$$ K_e = [H^+][OH^-] $$
\( K_e \) varie en fonction de la température. À une température fixe, il reste toujours le même. Par exemple, on travaille généralement avec des acides et des bases à température ambiante - environ \( 25℃ \) .
À cette température, \( K_e \) prend la valeur \( 1,00 \times 10^{-14} mol^2.dm^{-6} \) .
Si nous connaissons la concentration d'ions hydroxyde dans la solution, nous pouvons utiliser \( K_e \) pour trouver la concentration d'ions hydrogène. Nous pouvons alors calculer le pH de la solution, comme nous l'avons fait ci-dessus.
Ion hydroxydes
Calcule le pH d'une solution \( 0,1 mol.dm^{-3} \) d'hydroxyde de sodium, \( NaOH \) .
Essaie d'abord de répondre à la question par toi-même. Mais si tu es bloqué(e), essayons ensemble de répondre à la question.
L'hydroxyde de sodium étant une base forte, il se dissocie complètement en solution en ions hydroxyde \( OH^- \) et en ions sodium \( Na^+ \) , et respectivement, comme nous l'avons vu plus haut.
La concentration d'ions hydroxyde dans la solution est donc également de \( 0,1 mol.dm^{-3} \) . Nous pouvons utiliser cette valeur, ainsi que \( K_e \) , pour trouver la concentration d'ions hydrogène dans la solution.
$$ K_e = [H^+][OH^-] $$
Divise les deux côtés par \( [OH^-] \) :
$$ \frac {K_e}{[OH^-]} = [H^+] $$
Remplace nos valeurs par :
$$ \frac {1,00 \times 10^{-14} }{0,1} = [H^+] = 1,00 \times 10^{-13} $$
Nous pouvons alors les intégrer dans notre équation de pH :
$$ pH = -log(1,00 \times 10^{-13} ) $$
$$ pH = 13,00 $$
pH : Formule
Calculer le pH d'un acide ou d'une base, c'est bien, mais en chimie et dans la vie quotidienne, on trouve plus souvent des mélanges d'acides et de bases. Ceux-ci réagissent entre eux dans des réactions de neutralisation. Par exemple, si tu as des brûlures d'estomac, tu peux prendre des comprimés d'hydroxyde de magnésium pour neutraliser l'excès d'acide gastrique.
Dans cet exemple, certains des ions hydroxyde de la base, l'hydroxyde de magnésium, réagissent avec les ions hydrogène de l'acide, l'acide chlorhydrique, pour former de l'eau. Ils continueront à réagir jusqu'à ce que l'un des réactifs soit épuisé. Ce réactif est le réactif limitant, alors que l'autre réactif est en excès.
Pour déterminer le pH d'un mélange, il faut donc déterminer quel réactif est en excès. On peut alors calculer la concentration des ions hydrogène ou des ions hydroxyde restants, puis calculer le pH comme précédemment. Nous allons maintenant te donner un exemple pour t'aider à comprendre le processus.
Exemple : Un mélange contient \( 50 cm^3 \) de \( 0,100 mol.dm^{-3} \) \( H_2SO_4 \) et \( 25 cm^3 \) de \( NaOH \) de concentration égale à \( 0,150 mol.dm^{-3} \) . Calcule son pH.
Tout d'abord, nous devons convertir le volume en \( dm^3 \) :
$$ 50 \space cm^3 H_2SO_4 = 0.05 \space dm^3$$
$$ 0.05 \times 0.100 = 5 \times 10^{-3} mol \space H_2SO_4$$
Nous pouvons alors calculer le nombre de moles d'ions hydrogène et d'ions hydroxyde dans la solution. Cependant, tu remarqueras que \( H_2SO_4 \) contient deux atomes d'hydrogène par mole, ce qui signifie que chaque mole dissoute dans la solution produit deux moles d'ions hydrogène aqueux.
Nous avons donc des
\( (5 \times 10^{-3} )\times 2 = 1 \times 10^{-2} \space mol \space de \space H^+ \)
Faisons la même chose avec \( NaOH \) .
$$ 25 cm^3 NaOH = 0.025 \space dm^3$$
$$ 0.025 \times 0.150 = 3.75 \times 10^{-3} mol \space de \space NaOH $$
Chaque mole de \( NaOH \) se dissocie pour produire une seule mole d'ions hydroxyde, nous avons donc \( 3,75 \times 10^{-3} \) des moles d'ions hydroxyde.
Mais il s'agit d'une réaction de neutralisation, et les ions hydrogène réagissent donc avec les ions hydroxyde, comme nous l'avons mentionné plus haut. Ils réagissent dans un rapport de \( 1:1 \) . Nous avons moins d'ions hydroxyde que d'ions hydrogène, ce qui signifie que certains ions hydrogène ne réagiront pas et resteront dans la solution.
Pour connaître cette valeur, il suffit de soustraire le nombre d'ions hydroxyde du nombre d'ions hydrogène :
$$ (1 \times 10^{-2} ) - ( 3,75 \times 10^{-3} ) = 6,25 \times 10^{-3} $$
On obtient ainsi le nombre d'ions hydrogène restant dans la solution. Nous pouvons maintenant calculer le pH comme dans les exemples ci-dessus, d'abord en utilisant le volume total, qui est de \( 0,05 + 0,025 = 0,075 dm^3 \) , puis en prenant des logs :
$$ [H^+] = ( 6,25 \times 10^{-3} ) \div 0,075 dm^3 = 0,083 \space mol.dm^{-3} $$
$$ pH = -log(0,083) = 1,08 $$
Comment calculer le pH ?
L'organigramme suivant résume la façon de calculer le pH pour les acides forts, les bases et les mélanges des deux.
Fig.4- Un organigramme pour calculer le pH.
Comment trouver le pH sans faire de calculs ? Nous pouvons utiliser un indicateur universel pour une mesure approximative, qui est un mélange de colorants qui changent de couleur à différents niveaux de pH. Pour une mesure plus précise, nous pouvons utiliser un pH-mètre. Il mesure la différence de potentiel électrique entre une sonde de référence et une sonde de pH, qui varie en fonction de la concentration d'ions hydrogène dans la solution. Cette méthode est utile pour les lectures en continu, par exemple pendant une réaction chimique.
pH - Points clés
- L'échelle de pH mesure la concentration d'ions hydrogène dans une solution.
- L'équation suivante donne le pH : \( pH = -log ([H^+]) \)
- Un pH inférieur à \( 7 \) est acide, tandis qu'un pH supérieur à \( 7 \) est alcalin.
- Une solution neutre présente des concentrations égales d'ions hydrogène et d'ions hydroxyde.
- Les acides et les bases forts se dissocient complètement en solution.
- Pour trouver le pH d'un acide fort, d'une base ou d'un mélange des deux, il faut d'abord calculer la concentration d'ions hydrogène dans la solution. Utilise ensuite la formule ci-dessus pour trouver le pH.
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