Le pH d'une solution aqueuse

Le pH

Quel est sont les différents pH que l'on trouve dans le corps humain ? Afin de digérer de la meilleure façon possible, le pH de l’estomac dois nécessairement être compris entre 1,5, durant la nuit, et 5 lorsque débute la digestion. En effet, les différentes enzymes gastriques fonctionnent de façon optimale à un pH acide.

Le pH, ou encore potentiel hydrogène, correspond à une mesure de l'activité chimique de ce qu'on appelle les hydrons dans une solution. Mais vous les connaissez plus certainement sous le nom de protons ou encore ions hydrogènes. De façon plus particulière, ces protons, dans une solution aqueuse, se présent sous la forme de l'ion hydronium qui représente le plus simple des ions oxonium.

Le pH est, le plus souvent, utilisé afin de mesurer l'acidité ou encore la basicité du solution. On peut alors la déterminer avec l'échelle suivant dans le cas d'un milieu aqueux à 25°C :

  • une solution de pH égal à 7 est considérée comme étant neutre ;
  • une solution de pH inférieur à 7 est considérée comme étant acide. De ce fait, plus son pH diminue, plus elle est acide ;
  • une solution de pH supérieur à 7 est considérée comme étant basique. De ce fait, plus son pH augmente, plus elle est basique.

Mais la définition que nous connaissons aujourd'hui du pH, définition de Sorensen, n'a été officiellement reconnue qu'à partir du milieu du XXe siècle par l'UICPA.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Cette définition est donc celle que nous retrouvons dans les manuels scolaire et s'énonce ainsi :

    \[ pH = - \log \left( a _ { \text { H } } \right) \]

Avec aH, également noté aH+ ou [H+], qui correspond à l'activité des ions hydrogène H+. aH correspond donc à une grandeur sans dimension tout comme le pH.

Néanmoins, cette définition ne nous permet pas d'obtenir des mesures directes du pH ni même des calculs. En effet, le pH dépend uniquement de l'activité des ions hydrogènes. De ce fait, le pH dépend de plusieurs autres facteurs découlant de cette activité. On peut par exemple parler de l'influence du solvant ou encore de la température.

Il reste cependant possible d'obtenir des valeurs approchées du pH en utilisant ce calcul. Pour cela, il est nécessaire de faire appel à des définitions de l'activité.

Cette définition formelle ne permet pas des mesures directes de pH, ni même des calculs. Le fait que le pH dépende de l’activité des ions hydrogène induit que le pH dépend de plusieurs autres facteurs, tels que l’influence du solvant. Toutefois, il est possible d’obtenir des valeurs approchées de pH par le calcul, à l’aide de définitions plus ou moins exactes de l’activité.

Remarque

le p de pH représente la fonction "- log" donc ici - log (H). Donc si on parle de pOH ou de pKa, cela signifie que l'on parle de - log (OH) et de - log (Ka).

Nouvelle définition du pH

Aujourd'hui, une autre définition du pH a été donné par l'UICPA. Cette définition, déterminée grâce à une méthode électrochimique expérimentale, consiste à utiliser la relation de Nernst dans une cellule électrochimique définie comme qui suit :

Électrode de référence | Solution de KCl concentré | Solution X | H2 | Pt (électrode à hydrogène)

Ainsi, via des mesures de ce qu'on appelle force électromotrice, également notée fem ou f.e.m., de la cellule avec une solution de référence notée S, on peut obtenir la relation suivante : 

    \[ pH \left( H \right) = pH \left( S \right) + \frac { \left( E _ { S } - E _ { X } \right) \times F } { R \times T \times \ln \left( 10 \right) } \]

Avec :

  • pH(X) représentant le pH de la solution inconnue ;
  • pH(S) représentant le pH tabulé de la solution de référence S ;
  • EX représentant la f.e.m. de la cellule avec la solution inconnue X ;
  • ES représentant la f.e.m. de la cellule avec la solution de référence S à la place de la solution X
  • F = 96 485 C mol−1 représentant la constante de Faraday
  • R = 8,314 472 J mol−1  représentant la constante universelle des gaz parfaits
  • Et T représentant la température absolue, en kelvins

La mesure de pH

La mesure du pH peut se faire à l'aide d'outils comme :

  • Le papier pH qui indique la valeur du pH à une unité près ;
  • Ou le pHmètre qui indique, quant à lui, une valeur du pH à 0.1 unité près.

A noter que le pH est plus généralement mesuré grâce au pH-mètre, celui-ci reposant sur l'électrochimie et restant plus précis que le papier pH qui n'est qu'un indicateur. Le pH-mètre est appareil composé d'une électrode combinée spéciale, également appelée électrode de verre, ou encore de deux électrodes séparées. De façon générale, l'électrode de référence utilisée dans les pH-mètre correspond à une électrode au calomel saturée, également notée ECS.

Mais le pH peut également être trouvé par calcul :

En effet, d'après la loi de Nernst,

    \[ pH \left( H \right) = pH \left( S \right) + \frac { \left( E _ { S } - E _ { X } \right) \times F } { R \times T \times \ln \left( 10 \right) } \]

Avec :

  • X représentant la solution dont on cherche à déterminer le pH ;
  • S représentant la solution de référence ;
  • R représentant la constante de gaz parfaits ;
  • T représentant la température ;
  • F représentant la constante de Faraday.

Il peut être intéressant de noter que, à une température de 298 K, on obtient :

    \[ \frac { R \times T \times \ln \left( 10 \right) } { F } = 59,159 \text { V } \]

Comment déterminer le pH d'un savon ? Le pH d'une solution dépend de nombreux paramètres comme la température, la pression et le solvant.

Les réactions acido-basiques

Acide et base selon Brönsted

Un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H+.

    \[ AH \rightleftarrows A ^ { - } + H ^ { + } \]

Une base est une espèce chimique capable de capter un proton H+.

    \[ B + H ^ { + } \rightleftarrows BH ^ { + } \]

On obtient donc une réaction acido-basique :

    \[ AH + B \rightleftarrows A ^ { - } + BH ^ { + } \]

Dans cet exemple, on peut alors parler de :

  • Couple AH/A-
  • Couple BH+/B

Il y a un transfert d'un proton H+ entre l'acide d'un couple et la base d'un autre couple.
A chaque acide est associé une base qui est dite base conjuguée (réciproquement). Les deux forment un couple Acide/Base.

Comment prendre soin de sa peau ? Il est conseillé pour la peau de choisir un savon à pH neutre. En effet, ce savon aura donc un pH proche de celui de la peau et déposera sur celle-ci un film hydrolipidique qui la protégera tandis qu'un savon avec un pH de 9 asséchera la peau, la laissant alors sans défense contre les agressions extérieures.

Réactions totales et partielles

Avancement final d'une réaction

Définition

Considérons la réaction chimique dont l'équation est: aA + bB  cC + dD où A et B sont les réactifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stoéchiométriques.
Les notations utilisées dans la suite sont résumées ci-dessous:

  • x : avancement de la réaction ;
  • n(A)0 : quantité de matière initiale de A ;
  • n(A) : quantité de matière de A à la date t ;
  • n(A)f : quantité de matière finale de A.

Voici un exemple de tableau d'avancement :

Équation de la réactionaA+bB=cC+dD
Etat initial (mol)n(A)0+n(B)0=n(C)0=0+n(D)0=0
Etat à l'instant T (mol)n(A)=n(A)0-axt+n(B)=n(B)0-bxt=n(C)=cxt+n(D)=dxt
Etat à la fin de la réaction (mol)n(A)f=n(A)0-axf+n(B)f=n(B)0-bxf=n(C)f=cxf+n(D)f=dxf

Il en est de même pour les autres espèces.
L'avancement final est un avancement qui est réellement observé, atteint. Mais l'avancement maximal correspond également à l'avancement atteint lorsqu'un réactif est entièrement consommé. (avancement théorique observable).

Réaction du chlorure d'hydrogène sur l'eau

On prépare V = 100 mL d'une solution d'acide chlorhydrique de concentration c = 1,0.10-2 mol/L par dissolution du chlorure d'hydrogène HCl dans l'eau, on mesure le pH de la solution qui est de 2,0.

EtatHCl(g)+H20(l)=H30++(aq)+Cl-(aq)Avancement
InitialCV+Excès=Trace e+0x = 0 mol
Date qqCV - x+/=E + x = e+xx ≠ 0 mol
MaxiCV - xmax+/=xmax+xmaxx = xmax
FinalCV - xf+/=xf+xfx = xf

    \[ CV - x _ { \text { max } } = 0 \]

    \[ x _ { \text { max } } = CV = 1,0 . 10 ^ { - 2 } \times 0,1 = 1,0 . 10 ^ { - 3 } \text { mol } \]

    \[ pH = 2,0 \]

    \[ \left[ H _ { 3 } 0 ^ { + } \right] = 1,0 . 10 ^ { - 2 } \text { mol/L } \[ \eta \left[ H _ { 3 } 0 ^ { + } \right] = \left[ H _ { 3 } 0 ^ { + } \right] V = 1,0 . 10 ^ { - 2 } \times 10 ^ { - 3 } \text { mol } \]

    \[  \eta \left[ H _ { 3 } 0 ^ { + } \right] = x _ { f } = 1,0 . 10 ^ { - 3 } \text { mol } \]

    \[ x _ { f } = x _ { \text { max } } \]

L'avancement observé xf est égal à l'avancement maximal observable.

Comment accélérer une transformation chimique ? Il existe différentes manières d'accélérer une réaction chimique. En effet, il peut suffire d'augmenter la température ou encore d'introduire un catalyseur adapté à la réaction.

Réaction de l'acide acétique avec l'eau.

On prépare une solution d'acide acétique c = 1,0 . 10-2 mol/L. On en prépare 100 mL et on mesure un pH de 3,4.

EtatCH3COOH>sub>(aq)+H20(l)=H30++(aq)+CH3COO->sub>(aq)Avancement
InitialCV+Excès=Trace e+0x = 0 mol
Date qqCV - x+/=E + x = e+xx ≠ 0 mol
MaxiCV - xmax+/=xmax+xmaxx = xmax
FinalCV - xf+/=xf+xfx = xf

    \[ CV - x _ { \text { max } } = 0 \]

    \[ x _ { \text { max } } = CV = 1,0 . 10 ^ { - 2 } \times 0,1 = 1,0 . 10 ^ { - 3 } \text { mol } \]

    \[ \eta \left[ H _ { 3 } 0 ^ { + } \right] = \left[ H _ { 3 } 0 ^ { + } \right] V = 1,0 . 10 ^ { - 3,4 } \times 0,1 \text { mol } \]

    \[  \eta \left[ H _ { 3 } 0 ^ { + } \right] = 4,0 . 10 ^ { - 4 } \times 10 ^ { - 1 } = 4,0 . 10 ^ { - 5 } \text { mol } \]

    \[ x _ { f } = 4,0 . 10 ^ { - 5 } \text { mol } \]

L'avancement final observé est différent de l'avancement final observable.

xf différent de xmax donc la réaction de l'acide avec l'eau est une réaction partielle : toutes les molécules introduites n'ont pas réagi avec l'eau.

Dans l'acide acétique, CH3COOH, CH3COO-, H3O+, H2O coexistent et forment un équilibre chimique.

Dans un équilibre chimique, quand il est atteint, il y a deux réactions inverses qui se produisent simultanément à la même vitesse.

Taux d'avancement τ

    \[ \tau = \frac { x _ { f } } { x _ { \text { max } } } \]

  • Si τ ≤ 1 => si τ = 1  xf = xmax alors on est en présence d'une réaction totale
  • τ < 1 , xf  ≠ xmax alors on est en présence d'une réaction partielle qui s'arrête lorsqu'elle atteint l'équilibre chimique.

Relation entre l'avancement et la concentration molaire volumique

Si on ne prend en compte que le cas particulier d'une réaction ayant lieu en solution aqueuse telle que le volume V de la solution soit constant, alors on peut utiliser l'expression suivante :

    \[ [X] = \frac {n(X)} {V} \]

Avec :

  • [X] représentant la concentration molaire (en mol.L-1) ;
  • n(X) représentant la quantité de matière de l'espèce X en solution (en mol) ;
  • V représentant le volume de la solution (en L).

D'après ce qui précède, en divisant tous les termes de la relation de définition de l'avancement par V :

    \[\frac {x} {V} = \frac { [A] _ {0} - [A] } {a} = \frac { [ B ] _ { 0 } - [B] } {b} = \frac {[C]} {c} =\frac {[D]} {d} \]

Vitesse volumique de réaction

Définition

On peut définir la vitesse volumique de réaction avec l'aide de l'expression suivante :

    \[ v = \frac {ab} {cd} \frac { \text {d} x } { \text {d} t} \]

Avec :

  • v représentant la vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
  • V représentant le volume de la solution (en m3) ;
  • dx représentant la variation de l'avancement (en mol) ;
  • dt représentant la durée de la variation (en s).

Remarques :

  • Il arrive fréquemment que le volume V soit exprimé en litre. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.s-1 ;
  • Si la transformation est lente ou très lente la durée peut être exprimée en minute ou en heure. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.min-1 ou en mol.L-1.h-1 ;
  • Le rapport dx/dt représente la dérivée par rapport au temps de l'avancement.

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (2,33/ 5 pour 3 votes)
Loading...

Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !

Vous avez aimé
cette ressource ?

Bravo !

Téléchargez-là au format pdf en ajoutant simplement votre e-mail !

{{ downloadEmailSaved }}

Votre email est invalide