Échelle de pH — Acides, bases et calcul du pH

L’échelle de pH indique à quel point une solution aqueuse est acide ou basique. En chimie introductive, on l’écrit généralement sous la forme

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

où $[H_3O^+]$ est la concentration en ions hydronium en moles par litre. Plus le pH est faible, plus la solution est acide. Plus le pH est élevé, plus la solution est basique.

L’idée essentielle pour bien comprendre le pH est qu’il ne s’agit pas d’une échelle linéaire. Une variation d’une unité de pH correspond à un facteur 10 sur $[H_3O^+]$. Donc un pH de 3 est bien plus acide qu’un pH de 4, et pas seulement un peu plus.

Ce que mesure l’échelle de pH

Dans l’eau, les acides augmentent la concentration en ions hydronium et les bases la diminuent. Comme le pH est le logarithme décimal négatif de $[H_3O^+]$, une plus grande quantité d’ions hydronium donne un pH plus faible.

De nombreux manuels utilisent $[H^+]$ comme notation abrégée. Dans l’eau, $[H_3O^+]$ est la manière la plus précise de décrire l’espèce acide.

Pour la plupart des exercices scolaires, le pH est présenté sur une échelle allant de 0 à 14 :

• inférieur à 7 : acide
• environ 7 : neutre
• supérieur à 7 : basique

Cette règle est un bon repère en cours pour des solutions aqueuses diluées proches de $25^\circ \mathrm{C}$. Ce n’est pas une règle universelle valable à toute température ou pour toute concentration.

Comment calculer le pH

Si vous connaissez la concentration en ions hydronium, utilisez directement la définition :

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

Si vous connaissez d’abord la concentration en ions hydroxyde, vous pouvez calculer le pOH :

$$\mathrm{pOH} = -\log_{10}[OH^-]$$

Ensuite, pour des solutions aqueuses diluées vers $25^\circ \mathrm{C}$, utilisez

$$\mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = 14$$

Cette dernière équation dépend de la température, donc précisez la condition lorsque vous l’utilisez.

Exemple résolu : trouver le pH d’une solution avec $[H_3O^+] = 1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{M}$

Commencez par la définition :

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

Remplacez par la concentration :

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}(1.0 \times 10^{-3})$$

Comme $\log_{10}(10^{-3}) = -3$,

$$\mathrm{pH} = 3$$

La solution est donc acide.

Cet exemple montre aussi la logique de l’échelle. Une solution de pH 3 a une concentration en ions hydronium dix fois plus grande qu’une solution de pH 4, et cent fois plus grande qu’une solution de pH 5.

Pourquoi cette échelle paraît peu intuitive au début

On lit souvent les valeurs de pH comme si elles étaient régulièrement espacées. Ce n’est pas le cas. Le logarithme compresse de grandes variations de concentration en petits écarts numériques.

C’est pourquoi une variation de 2 unités correspond à un facteur de $100$, et une variation de 3 unités à un facteur de $1000$ :

$$10^2 = 100,\qquad 10^3 = 1000$$

Une fois cette idée bien gardée en tête, il devient beaucoup plus facile d’interpréter les comparaisons de pH.

Erreurs fréquentes

Traiter le pH comme une échelle linéaire

La différence entre un pH de 2 et un pH de 3 n’est pas du même type que celle entre 20 cm et 21 cm. Elle représente une variation d’un facteur 10 de la concentration en ions hydronium.

Supposer que neutre signifie toujours pH 7

C’est la valeur de référence habituelle en cours pour l’eau pure autour de $25^\circ \mathrm{C}$. Le pH neutre exact varie avec la température.

Confondre force d’un acide et pH

Un acide fort s’ionise plus complètement qu’un acide faible dans les mêmes conditions, mais le pH dépend aussi de la concentration. Un acide fort dilué peut avoir un pH plus élevé qu’un acide faible plus concentré.

Utiliser les équations du pH hors de leur cadre d’application

Les formules simples ci-dessus sont surtout fiables en chimie aqueuse introductive. Dans des travaux plus précis, les chimistes utilisent l’activité plutôt que la simple concentration.

Quand utilise-t-on l’échelle de pH ?

L’échelle de pH est utilisée chaque fois que l’on veut une mesure rapide de l’acidité ou de la basicité dans des systèmes à base d’eau. Parmi les exemples courants, on trouve les titrages acido-basiques, la qualité de l’eau, la chimie des sols, la chimie alimentaire et les fluides biologiques.

Elle est aussi utile parce qu’elle relie des idées de chimie que les élèves apprennent souvent séparément : concentration, logarithmes, acides et bases, et équilibre dans l’eau.

Essayez votre propre version

Calculez le pH pour $[H_3O^+] = 10^{-2}\,\mathrm{M}$ et $[H_3O^+] = 10^{-6}\,\mathrm{M}$. Comparez ensuite les deux solutions avec des mots, pas seulement avec des nombres. C’est la manière la plus rapide de rendre concrète l’échelle logarithmique.