Définition et mesure du pH

Le pH (potentiel Hydrogène) est une mesure de l'acidité ou de la basicité d'une solution aqueuse. Il est défini par la concentration des ions oxonium H₃O⁺.

Solution acide

Une solution est dite acide lorsque sa concentration en ions H₃O⁺ est supérieure à celle des ions hydroxyde HO⁻ (c’est-à-dire [H₃O⁺] > 10⁻⁷ mol/L).

Solution basique

Une solution est dite basique lorsque sa concentration en ions H₃O⁺ est inférieure à celle des ions hydroxyde HO⁻ (c’est-à-dire [H₃O⁺] < 10⁻⁷ mol/L).

Solution neutre

Une solution est dite neutre lorsque sa concentration en ions H₃O⁺ est égale à celle des ions hydroxyde HO⁻ (c’est-à-dire [H₃O⁺] = 10⁻⁷ mol/L).

Définition et échelle de pH

Le pH est une grandeur sans unité qui permet de quantifier l'acidité ou la basicité d'une solution aqueuse. Il est étroitement lié à la concentration des ions oxonium, H₃O⁺ (anciennement appelés ions hydronium), présents dans l'eau. Plus une solution est riche en ions H₃O⁺, plus elle est acide, et plus son pH est faible.

\text{pH} = -\log([\text{H}_3\text{O}^+])

Formule du pH

Inversement, si l'on connaît le pH d'une solution, on peut en déduire la concentration en ions H₃O⁺ grâce à la relation suivante :

[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}

Concentration en ions oxonium

L'échelle de pH s'étend généralement de 0 à 14 :

pH < 7 : La solution est acide. Plus le pH est proche de 0, plus la solution est acide.
pH = 7 : La solution est neutre. C'est le cas de l'eau pure à 25 °C.
pH > 7 : La solution est basique (ou alcaline). Plus le pH est proche de 14, plus la solution est basique.

Il est important de noter que le pH est une échelle logarithmique. Cela signifie qu'une variation d'une unité de pH correspond à une multiplication ou une division par dix de la concentration en ions H₃O⁺. Par exemple, une solution de pH 4 est dix fois plus acide qu'une solution de pH 5.

測定 Mesure du pH

Pour mesurer le pH d'une solution, on utilise principalement deux méthodes au laboratoire :

Le papier pH

Le papier pH est une bandelette de papier imprégnée d'un mélange d'indicateurs colorés. Lorsqu'il est plongé dans une solution, il prend une couleur spécifique qui est comparée à une échelle de couleurs fournie avec le rouleau ou le livret. Cette méthode est simple, rapide et peu coûteuse, mais elle offre une mesure approximative du pH (généralement à 0,5 unité près).

Le pH-mètre

Le pH-mètre est un appareil électronique qui permet une mesure précise du pH. Il est constitué d'une sonde (électrode de verre) que l'on plonge dans la solution à analyser. Le pH-mètre affiche directement la valeur du pH. Avant chaque utilisation, il doit être étalonné à l'aide de solutions tampons de pH connus (généralement pH 4, 7 et 10) pour garantir la fiabilité des mesures.

L'eau et les ions H₃O⁺ et HO⁻

Dans toute solution aqueuse, l'eau subit une réaction d'autoprotolyse, c'est-à-dire qu'elle réagit avec elle-même pour former des ions H₃O⁺ (ions oxonium) et des ions HO⁻ (ions hydroxyde) :

2 \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{HO}^-

Autoprotolyse de l'eau

À 25 °C, le produit des concentrations de ces deux ions est une constante appelée produit ionique de l'eau, noté Ke :
Ke = [H₃O⁺] x [HO⁻] = 10⁻¹⁴
Cette relation est fondamentale car elle montre qu'une augmentation de la concentration en H₃O⁺ entraîne une diminution de la concentration en HO⁻, et inversement. C'est ce qui explique le lien entre acidité, basicité et la valeur du pH :

En solution acide, [H₃O⁺] > [HO⁻].
En solution neutre, [H₃O⁺] = [HO⁻] = 10⁻⁷ mol/L, donc pH = 7.
En solution basique, [H₃O⁺] < [HO⁻].

A retenir :

Résumé des notions clés

Le pH mesure l'acidité ou la basicité d'une solution aqueuse.
Il est défini par pH = -log[H₃O⁺] ou [H₃O⁺] = 10⁻ᵖᴴ.
L'échelle de pH va de 0 à 14 : acide < 7, neutre = 7, basique > 7.
Une variation d'une unité de pH correspond à un facteur 10 sur la concentration en H₃O⁺.
La mesure se fait avec du papier pH (approximatif) ou un pH-mètre (précis).
L'eau subit une autoprotolyse : 2H₂O ⇌ H₃O⁺ + HO⁻.
Le produit ionique de l'eau est Ke = [H₃O⁺] x [HO⁻] = 10⁻¹⁴ à 25°C.