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Le potentiel hydrogène ou pH

Par Yann le 05/01/2017 Ressources > Physique-Chimie > Terminale S > Acides et bases > Le pH

Qu’est-ce que le pH ?

Définition du pH

Le « pH », abréviation de « potentiel Hydrogène« , est une grandeur qui reflète la proportion d’ions oxonium (aussi appelés ions hydronium) de formule H3O+ présents dans une solution aqueuse. Le pH va permettre de déterminer si une solution aqueuse est acide ou basique.

Ces ions oxonium se forment par association d’une molécule d’eau (H2O) et d’un ion hydrogène (H+) :
H2O+ H+  H3O+

Formule du pH

L’acidité d’une solution est liée à la présence des ions oxonium et dépend de leur concentration. Plus cette concentration est élevée, plus la solution est acide. Pour information, cette concentration est de l’ordre de 1 mol.L-1 pour les solutions les plus acides et peut descendre jusqu’à 10-14 mol.L-1 pour les solutions les moins acides (= les plus basiques).

Afin d’exprimer l’acidité par une grandeur plus simple que la concentration des ions oxonium, une échelle appelée l’échelle de pH a été définie. Elle est caractérisée par la relation suivante : pH = – Log [H3O+

  • la concentration [H3O+] est exprimée en mol.L-1
  • le pH est un nombre sans unité

Remarque : le signe – devant le logarithme indique tout simplement que le pH et la concentration en ions oxonium [H3O+] ont une relation inversée : quand la concentration en ions oxonium augmente, alors le pH diminue.

La fonction Logarithme

f(x) = Log ( x ) correspond à la fonction logarithme décimal, définie à partir du logarithme népérien par la relation suivante :
 

    \[\log(x) = \frac{\ln(x)}{\ln(10)}\]

Si x = 10a , alors

    \[\log(10^{a}) = \frac{\ln(10^{a})}{\ln(10)}\]

Soit,

    \[\log(10^{a}) = \frac{a*\ln(10)}{\ln(10)}\]

Et donc

    \[\log(10^{a}) = a\]

La fonction réciproque du logarithme décimale est f(x) = 10x

Ainsi, si y = Log (x) alors x = 10y

Rapporté au pH, cela signifie que si pH = – Log([H3O+]) alors [H3O+] = 10-pH

Echelle de pH et valeurs du pH

Echelle de pH

L’échelle de pH s’étend de 0 à 14.

Pour rappel, une solution neutre a un pH égal à 7.

Les solutions acides sont les solutions de pH < 7.

Les solutions basiques quant à elles, sont les solutions de pH > 7.

A quel pH correspondent ces couleurs ? L’échelle de pH colorée : les couleurs rouge/orange correspondent aux solutions acides et les couleurs bleutées correspondent aux solutions basiques

Quelques valeurs de pH

D’après la relation entre la concentration en ions oxonium et le pH, on peut en déduire que :

  • Si  [H3O+] = 1 mol.L-1           alors pH = – Log (100)   et donc  pH = 0
  • Si  [H3O+] = 10-1 mol.L-1   alors pH = – Log (10-1)  et donc pH = 1
  • Si  [H3O+] = 10-2 mol.L-1   alors pH = – Log (10-2)  et donc pH = 2
  • Si  [H3O+] = 10-3 mol.L-1   alors pH = – Log (10-3)  et donc pH = 3

Et ainsi de suite jusqu’à la concentration [H3O+] = 10-14 mol.L-1 où pH = 14.

Ainsi, plus la concentration en ions oxonium est faible, plus le pH augmente et plus la solution est basique.

Inversement, plus la concentration en ions oxonium est importante, plus le pH diminue et plus la solution est acide.

A noter qu’à chaque fois que la concentration en ions oxonium est divisée par dix, le pH augmente d’une unité.

Inversement, la valeur du pH d’une solution permet d’en déduire la concentration en ions oxonium, car ils sont liés par la relation [H3O+] = 10-pH.

La mesure du pH

Deux méthodes de mesure du pH sont à connaître :

  • La mesure du pH à l’aide de papier pH
  • La mesure du pH à l’aide d’un pH-mètre

Utilisation du papier pH

L’utilisation du papier pH est assez simple, mais ne donne qu’une valeur approximative du pH.

La mesure à l’aide du papier pH consiste à tremper le papier pH dans la solution dont on veut connaître le pH. Le papier change quasi-instantanément de couleur. Il suffit alors de comparer la couleur du papier pH à l’échelle de couleurs se trouvant sur la boîte du papier pH afin de déterminer une valeur approximative du pH.

Le papier pH est en particulier très utile pour avoir une idée du milieu dans lequel on se trouve (très acide, acide, neutre, basique ou très basique).

Quelle est cette méthode de mesure du pH ? Une méthode de mesure du pH : l’utilisation de papier pH

Utilisation du pH-mètre

Le pH-mètre quant à lui va donner une valeur plus précise du pH.

Cet appareil est constitué d’une sonde de pH qui est mise au contact de la solution dont on souhaite mesurer le pH. Son utilisation nécessite un étalonnage réalisé à l’aide de deux ou trois solutions dites « tampons » pour lesquelles le pH est déjà connu.

La mesure d’un pH à l’aide du pH-mètre a une précision qui dépend de la qualité de l’étalonnage mais elle est en général de l’ordre de 0,1 unité pH.

Comment peut-on mesurer la valeur du pH ? Une autre méthode de mesure du pH : l’utilisation du pH-mètre

Définition du pOH

Définition

De la même manière que l’on définit le pH, il est possible de définir le pOH en le reliant à la concentration en ions hydroxyde de la façon suivante : pOH = – Log [OH

De façon similaire au pH, il est possible de définir la concentration en ions hydroxyde comme étant [OH] = 10-pOH

Relation entre pH et pOH

Dans une solution aqueuse à 25°C, le pH et le pOH sont liés par la relation suivante : pH + pOH = 14

Méthodes de calcul du pH

A partir de l’ensemble des relations exposées plus haut dans ce cours, il est possible de calculer le pH de diverses solutions.

Calculer le pH à partir d’une solution d’acide fort

Prenons l’exemple d’une solution aqueuse d’acide chlorhydrique HCl, de concentration 1.10-3 mol/L.

L’équation de la réaction est la suivante :

HCl + H2O -> Cl+ H3O+

S’agissant de la réaction d’un acide fort dans l’eau, la conversion est totale et  [Cl– ] = [H3O+] = 1.10-3 mol/L.

A partir de la relation entre le pH et la concentration en ions oxonium, il est possible d’en déduire le pH :

pH = – log([[H3O+]) = – log(1.10-3 ) = 3

Le pH de cette solution aqueuse est donc égal à 3 et nous sommes en présence d’un acide fort car le pH est très largement inférieur à 7.

Calculer le pH à partir de la concentration en ions hydroxyde

Prenons l’exemple d’une solution de concentration en ions hydroxyde [OH] = 1.10-2 mol/L.

A partir de cette concentration en ions hydroxyde, il est possible de calculer le pOH de la solution :

pOH = – log([OH]) = – log(1.10-2) = 2

Pour finir, en utilisant la relation qui lie le pH au pOH, il est possible d’en déduire le pH de cette solution :

pH = 14 – pOH = 14 – 2 = 12

Ainsi, le pH de la solution est égal à 12, et il s’agit donc d’une base forte car le pH est très largement supérieur à 7.

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Mathias Mirault
Invité

bonsoir, j’ai du papier pH pour mesurer l’acidité de mes vinaigres artisanaux, mais sur mes bouteilles je dois exprimer l’acidité en
 » ° d’acidité  » ; comment puis-je faire? existe-t-il des tables de conversion du pH en °d’acidité? du matériel électronique existe-t-il?

Clément
Editor

Bonjour Mathias,

Le degré d’acidité représente le pourcentage massique d’acide contenu dans le vinaigre. Cela ne dépend pas du pH de la solution.