Physique-Chimie — 3ème
Solutions acides et basiques, le pH — Physique-Chimie Troisième (chapitre 4)
Acides et bases en troisième : échelle de pH, mesure au papier pH, à l'indicateur coloré et au pH-mètre, solutions acides, neutres et basiques, ions…
Par ProfBot
Solutions acides et basiques : le pH
Chapitre 4 — Organisation et transformations de la matière · Classe de troisième
Le vinaigre pique, le déboucheur ronge, l'eau ne fait ni l'un ni l'autre. Ces comportements très différents se rangent tous sur une seule échelle de nombres, l'échelle de pH — et, depuis le chapitre 3, on peut expliquer ce que ces nombres mesurent vraiment : une histoire d'ions.
Au programme officiel. Identifier le caractère acide ou basique d'une solution par mesure de pH. Associer le caractère acide ou basique à la présence d'ions $\mathrm{H^{+}}$ et $\mathrm{OH^{-}}$. (Programme de physique-chimie du cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020 ; attendu de niveau 3e selon la ressource Eduscol « Inscrire son enseignement dans une logique de cycle ».)
1. L'échelle de pH
Définition. Le pH (potentiel hydrogène) est un nombre sans unité qui mesure le caractère acide ou basique d'une solution aqueuse. Pour les solutions courantes, il s'échelonne de 0 à 14.
Les trois cas.
— $\mathrm{pH} < 7$ : la solution est acide ;
— $\mathrm{pH} = 7$ : la solution est neutre ;
— $\mathrm{pH} > 7$ : la solution est basique.
Plus le pH est petit, plus la solution est acide ; plus il est grand, plus elle est basique.
Le pH d'un produit ne dit rien de sa dangerosité à lui seul, mais les extrêmes sont à traiter avec respect : un déboucheur à $\mathrm{pH} = 13$ et un détartrant très acide sont tous deux corrosifs. Remarquez que l'eau de pluie n'est pas neutre : son pH vaut environ $5{,}6$, parce que le dioxyde de carbone de l'air s'y dissout. On ne parle de pluies acides qu'en dessous de cette valeur.
| Solution | pH approximatif | Caractère |
|---|---|---|
| Détartrant, acide chlorhydrique du commerce | $1$ | acide |
| Jus de citron | $2{,}4$ | acide |
| Vinaigre | $3$ | acide |
| Eau de pluie non polluée | $5{,}6$ | acide |
| Eau pure, eau distillée | $7$ | neutre |
| Sang | $7{,}4$ | basique |
| Eau de mer | $8{,}1$ | basique |
| Savon liquide | $9{,}5$ | basique |
| Déboucheur (soude) | $13$ | basique |
Attention à un piège classique. Le pH ne mesure ni la couleur, ni le goût, ni la concentration en sel. Une eau salée est neutre ($\mathrm{pH} = 7$) : elle contient beaucoup d'ions, mais pas ceux qui font l'acidité.
2. Mesurer un pH
Trois méthodes, de la plus grossière à la plus précise.
| Méthode | Comment | Précision |
|---|---|---|
| Papier pH | on dépose une goutte sur le papier et on compare la couleur à une échelle imprimée | à l'unité près |
| Indicateur coloré | on verse quelques gouttes d'indicateur dans la solution ; sa couleur change selon le pH | donne une zone, pas un nombre |
| pH-mètre | une sonde plongée dans la solution affiche le pH | au dixième près |
L'indicateur le plus courant au collège est le bleu de bromothymol (BBT) : il est jaune en solution acide, vert en solution neutre, bleu en solution basique. Il ne donne pas une valeur, mais il répond à la seule question qui compte souvent : acide, neutre ou basique ?
Deux précautions de mesure. La sonde d'un pH-mètre se rince à l'eau distillée entre deux mesures, sinon elle transporte un peu de la solution précédente. Et l'on ne trempe jamais le papier pH directement dans le flacon : on prélève une goutte, pour ne pas contaminer toute la réserve.
3. Ce que le pH mesure vraiment : les ions $\mathrm{H^{+}}$ et $\mathrm{OH^{-}}$
Toute solution aqueuse contient, en plus de ses molécules d'eau, deux ions particuliers : l'ion hydrogène $\mathrm{H^{+}}$ et l'ion hydroxyde $\mathrm{OH^{-}}$. Ce qui change d'une solution à l'autre, c'est leur proportion.
Les trois cas se lisent d'un coup d'œil. Dans une solution acide, les ions $\mathrm{H^{+}}$ sont plus nombreux que les ions $\mathrm{OH^{-}}$. Dans une solution basique, c'est l'inverse. Dans une solution neutre, il y en a autant des deux. Les ions négatifs et positifs qui accompagnent (ici non représentés) assurent, eux, la neutralité électrique de l'ensemble.
À retenir.
— Solution acide : plus d'ions $\mathrm{H^{+}}$ que d'ions $\mathrm{OH^{-}}$.
— Solution neutre : autant des deux.
— Solution basique : plus d'ions $\mathrm{OH^{-}}$ que d'ions $\mathrm{H^{+}}$.
Deux solutions à connaître.
| Solution | Ions présents |
|---|---|
| Acide chlorhydrique | $\mathrm{H^{+}}$ et $\mathrm{Cl^{-}}$ |
| Soude (hydroxyde de sodium) | $\mathrm{Na^{+}}$ et $\mathrm{OH^{-}}$ |
L'acide chlorhydrique doit son acidité aux ions $\mathrm{H^{+}}$ qu'il apporte ; la soude doit son caractère basique aux ions $\mathrm{OH^{-}}$. Les ions $\mathrm{Cl^{-}}$ et $\mathrm{Na^{+}}$, eux, ne jouent aucun rôle dans le pH — ils sont là pour la neutralité électrique.
Le mot « neutre » a deux sens en chimie, et il faut les distinguer. Une solution est électriquement neutre toujours (autant de charges $+$ que de charges $-$). Elle est chimiquement neutre seulement si son pH vaut 7. Une solution d'acide chlorhydrique est électriquement neutre, et pourtant très acide.
4. L'effet de la dilution
Diluer, c'est ajouter de l'eau. Le nombre d'ions $\mathrm{H^{+}}$ ne change pas, mais ils se répartissent dans un volume plus grand : il y en a moins par litre.
Diluer dix fois une solution acide fait augmenter son pH d'environ une unité. Une solution de $\mathrm{pH} = 1$ diluée dix fois donne $\mathrm{pH} = 2$, diluée cent fois $\mathrm{pH} = 3$. Le pH se rapproche de 7 sans jamais l'atteindre : on ne rend pas une solution neutre à force de la diluer, on la rend seulement de moins en moins acide.
La règle générale.
— Diluer une solution acide fait augmenter son pH, qui se rapproche de 7 par en dessous.
— Diluer une solution basique fait diminuer son pH, qui se rapproche de 7 par au-dessus.
— Diluer une solution neutre ne change rien : elle reste à 7.
C'est aussi pourquoi le pH est une échelle si commode : passer de 1 à 2, c'est diviser par dix le nombre d'ions $\mathrm{H^{+}}$ par litre. Une unité de pH représente un facteur dix. Une solution de pH 3 contient donc mille fois moins d'ions $\mathrm{H^{+}}$ par litre qu'une solution de pH 0.
5. Sécurité : manipuler acides et bases
Les solutions très acides ($\mathrm{pH}$ proche de 0) et très basiques ($\mathrm{pH}$ proche de 14) sont corrosives : elles attaquent la peau, les yeux et les vêtements. Le pictogramme correspondant montre deux liquides rongeant une main et une plaque.
Les quatre règles.
1. Lunettes de protection, blouse et gants dès qu'on manipule.
2. Ne jamais goûter ni sentir directement un produit chimique.
3. En cas de projection : rincer abondamment à l'eau pendant plusieurs minutes et prévenir le professeur.
4. Pour diluer un acide concentré, on verse l'acide dans l'eau, jamais l'eau dans l'acide.
Pourquoi cet ordre ? Le mélange d'un acide concentré et de l'eau dégage beaucoup de chaleur. Si l'on verse l'acide dans un grand volume d'eau, cette chaleur se répartit dans toute l'eau et la température monte peu. Si l'on verse quelques gouttes d'eau dans l'acide, toute la chaleur se libère dans un tout petit volume : l'eau peut se vaporiser d'un coup et projeter de l'acide brûlant. Le moyen mnémotechnique : « on ne jette pas l'eau à l'acide ».
6. Exercices corrigés
Exercice 1 — Lire une échelle. Classer ces solutions de la plus acide à la plus basique : lait ($\mathrm{pH} = 6{,}5$), déboucheur ($13$), jus de citron ($2{,}4$), eau distillée ($7$), eau de mer ($8{,}1$). Préciser le caractère de chacune.
Du plus acide au plus basique : jus de citron ($2{,}4$, acide), lait ($6{,}5$, acide), eau distillée ($7$, neutre), eau de mer ($8{,}1$, basique), déboucheur ($13$, basique).
Exercice 2 — Acide ou basique ? Une solution contient beaucoup plus d'ions $\mathrm{OH^{-}}$ que d'ions $\mathrm{H^{+}}$. Que peut-on dire de son pH ?
Elle est basique, donc son $\mathrm{pH} > 7$.
Exercice 3 — Dilution. Une solution d'acide chlorhydrique a un $\mathrm{pH} = 2$. On en prélève $10\ \mathrm{mL}$ que l'on complète à $100\ \mathrm{mL}$ avec de l'eau distillée. Quel est le pH de la nouvelle solution ?
On passe de $10\ \mathrm{mL}$ à $100\ \mathrm{mL}$ : la solution est diluée dix fois. Le pH augmente donc d'une unité : $\mathrm{pH} = 3$. La solution est moins acide qu'avant.
Exercice 4 — Dans l'autre sens. Que devient le pH d'une solution de soude de $\mathrm{pH} = 12$ que l'on dilue dix fois ?
C'est une solution basique : la diluer rapproche son pH de 7 par au-dessus, il diminue d'une unité. On obtient $\mathrm{pH} = 11$.
Exercice 5 — Compter les ions. Une solution de pH 1 contient un certain nombre d'ions $\mathrm{H^{+}}$ par litre. Combien de fois moins en contient une solution de pH 4 ?
Chaque unité de pH représente un facteur 10, et il y a $4 - 1 = 3$ unités d'écart :
$10 \times 10 \times 10 = 10^{3} = 1000$
La solution de pH 4 contient mille fois moins d'ions $\mathrm{H^{+}}$ par litre.
Exercice 6 — Choisir un instrument. On veut savoir si une eau de piscine, dont le pH doit être compris entre $7{,}2$ et $7{,}6$, est correctement traitée. Le papier pH suffit-il ?
Non. Le papier pH donne le pH à l'unité près : il ne distinguerait pas $7{,}2$ de $7{,}6$. Il faut un pH-mètre, précis au dixième.
Exercice 7 — Sécurité. Un élève veut diluer de l'acide chlorhydrique concentré. Il verse $5\ \mathrm{mL}$ d'eau dans le flacon d'acide. Qu'a-t-il fait de dangereux, et que fallait-il faire ?
Il a versé l'eau dans l'acide : la chaleur dégagée se concentre dans un très petit volume et peut provoquer des projections d'acide brûlant. Il fallait verser l'acide dans l'eau, lentement, avec lunettes et gants.
L'essentiel du chapitre
- Le pH est un nombre sans unité, de 0 à 14 pour les solutions courantes.
- $\mathrm{pH} < 7$ : acide · $\mathrm{pH} = 7$ : neutre · $\mathrm{pH} > 7$ : basique.
- On le mesure au papier pH (à l'unité), à l'indicateur coloré (zone) ou au pH-mètre (au dixième).
- Une solution acide contient plus d'ions $\mathrm{H^{+}}$ que d'ions $\mathrm{OH^{-}}$ ; une solution basique, l'inverse ; une solution neutre, autant des deux.
- Diluer 10 fois une solution acide augmente son pH d'une unité ; diluer une solution basique le diminue. Le pH se rapproche de 7 sans jamais l'atteindre.
- Acides et bases concentrés sont corrosifs : lunettes, gants, et on verse toujours l'acide dans l'eau.