Potentiel hydrogène

As-tu déjà pris des suppléments probiotiques ? Les probiotiques contiennent différents types de micro-organismes vivants qui offrent des avantages pour la santé de notre organisme, comme l'amélioration ou la restauration de la santé de notre microbiome. L'une des bactéries présentes dans les probiotiques est appelée Lactobacillus.

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    Les bactéries Lactobacillus peuvent faire partie de la flore normale de l'estomac. Comme l'estomac a un potentiel hydrogène (pH) faible, de l'ordre de \( 1 \) à \( 3 \) , on peut dire que les bactéries Lactobacillus se développent dans des environnements acides. Les substances ayant un faible pH sont considérées comme acides, et une échelle de pH est utilisée pour indiquer le degré d'acidité ou d'alcalinité des substances.

    • Tout d'abord, nous allons parler de la définition du potentiel hydrogène.
    • Nous présenterons la formule du pH.
    • Ensuite, nous verrons les différences de potentiel hydrogène entre les acides et les bases.
    • Ensuite, nous examinerons les plages de l'échelle de pH des acides et des bases.
    • Nous verrons le pH de l'eau et le pH sanguin.
    • Enfin, nous apprendrons comment utiliser un pH-mètre et calculer le pH.

    Qu'est-ce que le pH ?

    Tout d'abord, nous devons définir le potentiel hydrogène.

    Le pH est une mesure de la concentration en ions hydrogène d'une solution.

    Mais qu'est-ce que cela signifie exactement ? Nous devons revenir en arrière et rafraîchir le concept des acides et des bases de Bronsted-Lowry.

    Un acide de Bronsted-Lowry est un donneur de proton (ion hydrogène). Une base de Bronsted-Lowry est un accepteur de proton (ion d'hydrogène).

    Le pH est donc une mesure de la concentration d'ions hydrogène dans une solution.

    Les scientifiques utilisent une échelle de pH pour montrer si une solution est acide ou basique, en fonction de la concentration d'ions hydrogène ! L'échelle de pH est considérée comme une échelle logarithmique. Cela signifie qu'en diminuant ou en réduisant d'une unité de pH, la concentration sera multipliée par dix !

    Échelle pH

    En dehors de la définition Bronsted-Lowry des acides et des bases, les acides et les bases ont d'autres définitions. La première personne à avoir classé les acides et les bases est Svante Arrhenius, qui a proposé les définitions suivantes :

    Les acides d'Arrhenius sont des substances qui se dissocient dans l'eau et produisent des ions \( H^+ \) . Les bases d'Arrhenius sont des substances qui se dissocient dans l'eau et produisent des ions \( OH^- \) .

    Les acides sont des donneurs de protons, et ils se dissocient en ions négatifs et en ions hydrogène positifs \( H^+ \) . Par exemple, lorsque le chlorure d'hydrogène \( HCl \) est dissous dans l'eau, le \( HCl \) subit une ionisation et produit des ions \( H^+ \) et des ions \( Cl^- \) .

    Potentiel hydrogène HCl dans l'eau StudySmarterFig. 1- HCl dans l'eau.

    Les bases, quant à elles, se dissocient pour former des ions positifs et des ions hydroxyde négatifs \( OH^- \) . Par exemple, lorsqu'on ajoute de l'hydroxyde de potassium \( KOH \) à l'eau, le \( KOH \) s'ionise pour former des ions \( OH^- \) et des ions \( K^+ \) .

    Potentiel hydrogène KOH dans l'eau StudySmarterFig.2- KOH dans l'eau.

    Acides et bases forts

    Selon la définition d'Arrhenius, les acides sont des donneurs de protons dans \( H_2O \) , ils augmentent donc la concentration d'ions \( H^+ \) dans la solution aqueuse. Les acides forts sont des acides qui se dissocient complètement dans l'eau. Ainsi, si nous ajoutons un acide fort à l'eau, l'équation suivante apparaît :

    $$ HX_{(aq)} \rightarrow H^+_{(aq)} + X^-_{(aq)} $$

    De même, les bases fortes sont des bases qui se dissocient complètement dans l'eau. La dissolution d'une base forte dans l'eau peut être représentée par l'équation suivante :

    $$BOH_{(aq)} \rightarrow B^+_{(aq)} + OH^-_{(aq)} $$

    Si tu veux en savoir plus sur les acides forts et les bases fortes, lis "Acides et bases" et "pH et pKa".

    Échelle de pH : Gamme

    L'échelle de \( pH \) se présente comme suit :

    Potentiel hydrogène Tableau de l'échelle de pH StudySmarterFig.3 -Échelle de pH

    Remarque : le pH s'étend de \( 0 \) à \( 14 \) . Parfois, le pH peut même se situer en dehors de cette plage, mais c'est très rare. Oui, le pH négatif existe. Une solution qui contient une concentration d'ions hydrogène équivalente à un pH inférieur à \( 7 \) est considérée comme acide, tandis qu'un pH supérieur à \( 7 \) est considérée comme basique (également appelée alcaline). Lorsqu'une substance a un pH de \( 7 \) , elle est considérée comme neutre.

    Une solution neutre est une solution qui présente des concentrations égales d'ions \( H^+ \) et \( OH^- \) .

    Mais où se trouvent les acides forts et les bases fortes sur l'échelle de pH ? Les acides forts se trouvent dans la plage de pH comprise entre \( 0 \) et \( 1 \) , tandis que les bases fortes sont à l'autre extrême, avec un pH de \( 14 \) . Cela est dû à la concentration d'ions hydrogène dans la solution.

    • Les acides forts ont une forte concentration de \( H^+ \) , tandis que les bases fortes ont une faible concentration d'ions \( H^+ \) en solution. Plus le \( [H^+] \) est élevé, plus la solution est acide !

    Le chimiste danois Soren Peder Lauritz Sorensen est la personne qui a inventé l'échelle de pH. L'échelle de pH a été inventée en 1909 pour aider Sorensen à contrôler l'acidité de ses bières artisanales. Il voulait être en mesure de contrôler l'acidité afin d'empêcher la prolifération de bactéries indésirables.

    Un fait intéressant concernant le pH est que, bien que nous sachions que le \( H \) signifie hydrogène, personne n'est tout à fait sûr de la signification du p.

    pH : Formule

    L'échelle de pH est considérée comme une échelle logarithmique correspondant à la concentration de protons (ions \( H^+ \) ) dans les solutions aqueuses. Le pH est donc le log négatif de \( [H^+] \) et peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

    $$ = -log_{10} [H^+] $$

    Certains livres scolaires utilisent \( [H_3O^+] \) pour désigner la concentration de protons au lieu de \( [H^+] \) . Ils signifient la même chose, alors ne te sent pas perdu si tu rencontres cette différence !

    Prenons un exemple !


    Trouve le pH d'une solution où \( [H^+] = 1.2 \times 10^{-2} M \) .

    Nous pouvons utiliser la formule de pH ci-dessus pour calculer le pH :

    \( = -log_{10} [1.2 \times 10^{-2} M ] \)

    \( pH = 1,90 \)

    N'oublie pas que le pH est toujours indiqué avec deux décimales et qu'il n'a pas non plus d'unités !

    Si nous réorganisons la formule du pH, nous pouvons également l'utiliser pour trouver la concentration d'ions hydrogène dans une solution !

    $$ [H^+] = 10^{-pH} $$

    Résolvons un autre exemple !

    Calcule la masse (en grammes) de \( HBr \) (acide fort) à mélanger à \( 200 ml \) d'eau pour obtenir une solution dont le pH est de \( 3,01 \) ?

    Nous devons utiliser l'équation ci-dessus pour trouver la concentration d'ions hydrogène dans la solution. Ensuite, nous utilisons cette valeur pour trouver la masse de \( HBr \) .

    Tout d'abord, trouve la concentration en ions hydrogène en utilisant la valeur du pH donnée.

    Ensuite, nous devons convertir les \( mL \) en \( L \) :

    $$ 200 mL \times \frac {1L}{1000 mL} = 0,2000 mL $$

    Maintenant, nous pouvons calculer le nombre de moles de \( HBr \) (soluté) en réarrangeant la formule suivante :

    $$ Molarité (M) = \frac { n_{soluté} }{L_{solution}} $$

    $$ Molarité (M) \times L_{solution} = n_{solute} $$

    $$(9,77 \times 10^{-4} M ) \times (0,2000 L ) = 0,0001954 \space mol $$

    Enfin, nous pouvons utiliser le nombre de moles pour résoudre la masse de \( HBr \) :

    $$ 0,0001945 \space moles \space HBr \times \frac {80,91 g \space HBr }{ 1 \space mol } = 0,01581 \space g $$

    Comme les acides forts et les bases fortes se dissocient complètement en solution, nous pouvons dire que la concentration de l'acide fort ou de la base forte sera égale à la concentration de \( H^+ \) ou de \( OH^- \) en solution. Donc, pour calculer le pH des acides forts et des bases fortes, nous pouvons utiliser l'équation du pH que nous venons d'apprendre !

    pH : acide

    Rappelle-toi qu'un acide fort se dissocie complètement dans une solution aqueuse. Prenons l'exemple de l'acide chlorhydrique \( HCl \) .

    pH acide chlorhydrique

    Trouve le pH de \( 0,1 \space mol \) d'acide chlorhydrique \( HCl \) dissous dans \( 0,5 \space dm^3 \) de l'eau.

    Si nous mettons \( 0,1 \) mol d'acide chlorhydrique dans \( 0,5 \space dm^3 \) de l'eau, l'acide se dissociera complètement en \( 0,1 \space mol \) d'ions hydrogène, et \( 0,1 \space mol \) d'ions chlorure, \( Cl^- \) .

    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.

    Le pH de \( 0,5 \space dm^3 \) 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 \( 0,1778 \) .

    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 : basiques

    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 \( 1,00 \times 10^{-14} \space mol^2 . dm^{-6} \) .

    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.

    pH : hydroxyde de sodium

    Calcule le pH d'une solution \( 0,1 \space mol. dm^{-3} \) 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 :

    $$ pH = -log ( 1,00 \times 10^{-13} ) $$

    $$ pH = 13,00 $$

    Exemples concernant l'échelle de pH

    Si tu devais deviner, où penses-tu que tu trouverais les substances suivantes sur l'échelle de pH ?

    • Le jus de citron
    • Lait
    • Le bicarbonate de soude
    • Eau de Javel

    Nous pensons que le jus de citron a un pH faible, que le lait est légèrement acide par rapport à l'eau pure \( pH = 7 \) , que le bicarbonate de soude est légèrement alcalin et que l'eau de Javel a un pH élevé !

    Potentiel hydrogène Le pH de substances courantes est représenté sur l'échelle de pH StudySmarterFig.4 - Echelle de pH

    pH eau

    Dans l'eau pure, il y a autant d'ions \( H_3O^+ \) que d'ions \( HO^- \) . Ce qui se traduit par la relation:

    $$[H_3O^+] = [HO^-] = 1 \times 10^{-7} \space mol .L^{-1} $$

    Le pH de l’eau pure est égal à \( 7 \) .

    Lorsque dans une solution aqueuse la concentration des ions \( H_3O^+ \) est différente de \( 1 \times 10^{-7} \space mol . L^{-1} \) , \( [HO^-] \) est également différente de cette valeur de sorte que le produit :

    \( K_e = [H_3O^+] [HO^-] \)

    est toujours constant et égal a \( 10^{-14} \) .

    Le produit ionique de l'eau \( K_e \) , ayant une valeur très faible, il est plus commode de l'exprimer en \( pK_e \) tel que:

    \( pK_e = -log K_e \)

    Le \( pK_e \) de l'eau est telle que: \( pK_e = -log K_e = 14 \) à une température \( 25° C \)

    pH sanguin

    Le pH sanguin normal est entre \( 7,35 \) et \(7,45 \) . Ce qui correspond à un pH légèrement basique. Généralement, notre organisme garde un pH sanguin proche de \( 7,40 \) . Un médecin estime l'équilibre acide base d'une personne en mesurant le pH et les niveaux de dioxyde de carbone (un acide) et de bicarbonate (une base) dans le sang.

    La régulation du pH des liquides corporels est l'une des fonctions physiologique les plus importantes de l'homéostasie, car l'activité de la plupart des réactions chimiques réalisées par des protéines enzymatiques est dépendante du pH des liquides.

    pH-mètre

    Sais-tu qu'un pH-mètre numérique peut être utilisé pour mesurer électroniquement le pH d'une substance ? Le pH-mètre numérique possède une sonde électronique qui fonctionne en détectant le nombre d'ions \( H^+ \) dans une solution. Plus il y a d'ions hydrogène, plus le pH est faible !

    Maintenant, tu devrais mieux connaître l'échelle de pH et savoir comment trouver le pH de différentes substances !

    Potentiel hydrogène - Points clés

    • Le potentiel hydrogène ou pH est une mesure de la concentration en ions hydrogène d'une solution.
    • Un acide de Bronsted-Lowry est un donneur de proton (ion hydrogène).
    • Une base de Bronsted-Lowry est un accepteur de proton (ion hydrogène).
    • Une échelle de pH est utilisée pour indiquer le degré d'acidité ou d'alcalinité des substances.
    • Le pH de l’eau pure est égal à \( 7 \) .
    • Le pH sanguin normal est entre \( 7,35 \) et \(7,45 \) . Ce qui correspond à un pH légèrement basique.
    • Le pH-mètre numérique possède une sonde électronique qui fonctionne en détectant le nombre d'ions \( H^+ \) dans une solution.
    • Pour calculer le pH à partir de \( [H^+] \) , on peut utiliser la formule suivante : \( pH = -log_{10}[H^+] \) .

    References

    1. Références : Description du cours et de l'examen AP Chemistry, en vigueur à l'automne 2020. (s.d.). Consulté le 8 avril 2022 à l'adresse https://apcentral.collegeboard.org/pdf/ap-chemistry-course-and-exam-description.pdf?course=ap-chemistry. Malone, L. J., Dolter, T. O., & Gentemann, S. (2013). Basic concepts of Chemistry (8e édition). Hoboken, NJ : John Wiley & Sons. Swanson, J. W. (2020). Tout ce dont vous avez besoin pour Ace Chemistry dans un seul gros cahier. Workman Pub. The Princeton Review : Cracking the AP Chemistry exam, 2020. (2019). New York, NY : Penguin Random House.
    Questions fréquemment posées en Potentiel hydrogène

    Quelle est la signification de pH ?  

    Le pH est une mesure de la concentration en ions hydrogène d'une solution.

    Quel est le potentiel hydrogène de l'eau ? 

    Dans l'eau pure, il y a autant d'ions H3O+ que d'ions HO- . Ce qui se traduit par la relation:


    [H3O+] = [HO-] = 1 x  10-7   mol .L-1


    Le pH de l’eau pure est égal à 7. 

    Quel pH est dangereux ?  

    Les solutions acides dont le pH est égal ou inférieur à 2 sont extrêmement dangereuses. Concernant les solutions basiques, celles dont le pH est égal ou supérieur à 10 sont très dangereuses.

    C'est quoi un pH acide ?  

    Un pH acide est un pH inférieur à 7.

    Qu'est-ce qu'un pH basique ?  

    Un pH basique est supérieur à 7. 

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    Vrai ou faux : une échelle de pH est utilisée pour montrer si une solution est acide ou basique en fonction de la concentration en ions hydrogène.

    Les  ____ d'Arrhenius  sont des substances qui se dissocient dans l'eau et produisent des ions \( H^+ \).

    Les  ____ d'Arrhenius  sont des substances qui se dissocient dans l'eau et produisent des ions \(OH^- \).

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