Les relations entre le pH et la concentration en ions oxonium
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Déterminer la valeur du pH d’une solution à partir de la valeur de sa concentration en quantité de matière d'ions oxonium H3O+, et inversement.
- Le pH d’une solution est lié à la concentration en quantité de matière d'ions oxonium.
- Les relations entre le pH et la concentration en quantité de matière d'ions oxonium sont pH = –log[H3O+] et [H3O+] = 10–pH.
- Concentration en quantité de matière
- Solution acide, basique, pH
- acide si son pH est compris entre 0 et 7 ;
- neutre si son pH vaut 7 ;
- basique si son pH est compris entre 7 et 14.
Échelle de pH d’une solution
- Le pH est une grandeur qui s’écrit avec un seul chiffre après la virgule.
- Le pH d’une solution se mesure de trois manières différentes, en utilisant un indicateur coloré (mesure peu précise), un papier pH (mesure peu précise) ou un pH-mètre (mesure précise).
Cette concentration en quantité de matière peut être fournie dans l’énoncé, ou alors il faut la calculer en utilisant la relation suivante.
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avec :
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Toutes les solutions aqueuses contiennent des ions oxonium H3O+ et hydroxyde HO–. Plus une solution contient d'ions oxonium H3O+, plus elle est acide et plus son pH sera faible.
Le pH d’une solution dépend ainsi de la concentration en quantité de matière d'ions oxonium H3O+.
Ces deux grandeurs sont liées par la relation suivante.
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avec :
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On peut simplifier cette relation car C0 = 1 mol·L–1.
On obtient la relation suivante.
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avec :
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On considère une solution de concentration en quantité de matière d’ions oxonium égale à [H3O+] = 2,0 × 10–3 mol·L–1.
Le pH de cette solution vaut :
pH = –log([H3O+])
pH = –log(2,0 × 10–3)
pH = 2,7
- Le pH correspond aux initiales de
« potentiel hydrogène ».
Il permet en effet de mesurer la concentration en
quantité de matière d'ions
hydrogène H+ dans une
solution. Ceux-ci se transforment en ions
oxonium H3O+ lorsqu’ils
se trouvent en solution aqueuse. Ils sont alors
hydratés, selon l’équation :
H+(aq) + H2O = H3O+(aq).
- Le pH est une grandeur sans unité,
c’est pour cette raison que dans la relation
, la concentration
en quantité de matière d’ions
oxonium [H3O+] est divisée par la
concentration standard C0. On a
ainsi un rapport de deux grandeurs de même
unité qui est au final sans unité.
La concentration en quantité de matière d'ions oxonium [H3O+] dans une solution est définie par l'expression suivante.
| [H3O+] = C0 × 10–pH |
avec :
|
On peut simplifier cette relation car C0 = 1 mol·L–1. On obtient la relation suivante.
| [H3O+] = 10–pH |
avec :
|
Une solution d’acide citrique possède un pH égal à 3,5.
La concentration en quantité de matière d'ions oxonium de cette solution vaut :
[H3O+] = 10–pH
[H3O+] = 10–3,5
[H3O+] = 3,2 × 10–4 mol·L–1
Pour savoir quelle relation utiliser parmi les deux relations entre le pH et la concentration, il faut analyser ce qui est demandé dans la question.
- Si on nous demande de calculer le pH, il faut utiliser la relation pH = –log([H3O+]).
- Si on nous demande de calculer la concentration en quantité de matière d'ions oxonium, il faut utiliser la relation [H3O+] = 10–pH.
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