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Définition et mesure du pH

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Objectif
Le pH permet de mesurer l’acidité d’une solution. Comment est-il défini ? Comment mesure-t-on le pH d’une solution ?
1. Notion de pH
a. pH d'une solution aqueuse
Le potentiel hydrogène, noté pH, permet de mesurer l’acidité ou la basicité d’une solution.
Il est lié à la concentration en ions oxonium H3O+ dans la solution.

La valeur du pH est un nombre sans unité compris entre 0 et 14.
À une température de 25 °C :
• Le pH d’une solution neutre est pH = 7,0.
• Le pH d’une solution acide est compris entre 0 et 7,0.
• Le pH d’une solution basique est compris entre 7,0 et 14.
b. Définition du pH
Si le pH d'une solution acide est faible, c'est parce qu'il libère des protons H+ selon l'équation : HA → A- + H+, donc la concentration des ions H+ augmente.

À l'opposé, si le pH d'une base est fort, c'est qu'elle capte les protons H+, ce qui fait baisser leur concentration.
Il y a donc une relation entre le pH et la concentration des protons.

Remarque : associés à l'eau, on note aussi les protons H+ sous la forme d'ions oxonium H3O+.
Au lycée, on se limitera à l'étude des solutions diluées de mono-acides et de monobases qui ne mettront en jeu qu'un seul proton. 

NB : une solution diluée est une solution dont la concentration est : 10-5 mol.L-1 < Csolution < 10-1 mol.L-1.

Le pH des solutions diluées est défini par l'expression simplifiée :
pH = – log [H3O+]   ou  [H3O+] = 10-pH.

Le symbole log représente le logarithme décimal.
[H3O+] est le nombre sans dimension correspondant à la concentration molaire des ions oxonium en mol.L-1

Attention : le pH est un nombre sans dimension (pas d'unité).
2. Mesure du pH
a. Indicateur coloré
Un indicateur coloré est une espèce chimique qui change de couleur en fonction de la valeur du pH.
Par exemple, le BBT est un indicateur coloré qui est bleu en milieu basique, vert en milieu neutre, et jaune en milieu acide.
 
Si l'on introduit quelques gouttes de BBT dans une solution aqueuse, celle-ci prend une teinte que l’on compare à une échelle de teinte (qui sert de référence).
Introduire quelques gouttes d’un indicateur coloré dans une solution permet donc de déterminer l’ordre de grandeur de son pH, mais pas la valeur précise du pH.

b. Mesure au papier pH
Le papier pH est une bande de papier imbibée d’un indicateur universel.
L’indicateur universel est constitué d’un mélange d’indicateurs colorés dont les teintes varient graduellement en fonction du pH. Le papier pH a donc une teinte qui varie en fonction de la valeur du pH.

Le papier pH se présente sous la forme de bandes étroites de papier. L’échelle des teintes de l’indicateur en fonction du pH est imprimée sur le boitier.
En déposant une goutte de solution (de pH inconnu) sur un morceau de papier pH, on détermine une valeur approximative de la valeur du pH en comparant la couleur obtenue avec celle de l’échelle.
c. Mesure au pH-mètre
On peut mesurer la valeur du pH avec un pH-mètre.
Le pH-mètre est un appareil de mesure constitué d’une électrode double reliée à un boitier électronique indiquant la valeur du pH.

Avant utilisation, le pH-mètre doit être étalonné avec deux solutions tampons.
Une solution tampon est une solution dont le pH est stable et connu avec précision.
On étalonne le pH-mètre avec une solution tampon de pH = 7,0 (pH neutre), puis avec une solution tampon acide (4,0) ou basique (9,0).

Une fois étalonné, on rince l’électrode, et on la plonge dans la solution aqueuse dont on cherche à déterminer le pH.
La lecture du pH se fait sur l’écran du boitier électronique.
L'essentiel
• Le pH d’une solution est lié à la concentration en ions oxonium [H3O+].
• Le pH d’une solution aqueuse varie entre 0 et 14 à 25 °C.

• Plus la concentration en ions oxonium est élevée, et plus le pH est faible.
• Plus la concentration en ions oxonium est faible, et plus le pH est élevé.

• La relation entre le pH et la concentration des ions oxonium est :
pH = – log [H3O+]   ou   [H3O+] = 10–pH.
• Le pH n'a pas d'unité.
• La valeur du pH peut se déterminer avec un indicateur coloré, du papier pH ou mesuré avec un pH-mètre.

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