Tester la relation entre le pH et la concentration en ions oxonium - Maxicours

Tester la relation entre le pH et la concentration en ions oxonium

Objectif

Tester la relation entre le pH et la concentration en quantité de matière d’ions oxonium H3O+ apportés, en mesurant le pH de solutions d’acide chlorhydrique (H3O+, Cl) obtenues par dilutions successives d’un facteur 10.

Points clés
  • Le pH d’une solution est lié à la concentration en quantité de matière d’ions oxonium, selon la relation pH = –log[H3O+].
  • À chaque dilution d’un facteur 10 d’une solution acide, le pH augmente d’une unité.
Pour bien comprendre
  • pH-mètre
  • Dilution
  • Relation entre le pH et la concentration en quantité de matière d’ions oxonium
1. Dilution et pH (rappels)
a. Dilution

On dispose d'une solution initiale (appelée solution mère) de concentration en quantité de matière C0 et on souhaite obtenir une solution finale (appelée solution fille) de concentration en quantité de matière Cf (concentration finale).

La dilution consiste à prélever un volume Vp de la solution mère et à lui ajouter de l'eau distillée pour obtenir la solution fille.

La solution fille est moins concentrée que la solution mère, c’est une solution diluée.


Principe de la dilution

Les concentrations en quantité de matière de la solution mère et de la solution fille sont reliées par la relation suivante.

C0 × Vp = Cf × Vf avec :
  • C0 la concentration initiale (mère) et Cf la concentration finale (fille), en mol·L1
  • Vp le volume de la solution mère à prélever et Vf le volume de la solution fille, en L
b. Mesure de pH et relations
Le pH permet de mesurer l’acidité ou la basicité d’une solution.

Le pH est un nombre sans unité compris entre 0 et 14. Il se mesure de manière précise avec un pH-mètre.


Mesure du pH à l’aide d’un pH-mètre

Le pH d’une solution dépend de la concentration en quantité de matière d’ions oxonium H3O+.

Ces deux grandeurs sont liées par la relation suivante.

avec :
  • le pH, qui est un nombre sans unité
  • le symbole « log », qui représente le logarithme décimal (facilement accessible avec la touche « log » de la calculatrice)
  • [H3O+] la concentration en quantité de matière d’ions oxonium, en mol·L1
  • C0 = 1 mol·L1, la concentration en quantité de matière standard

On souhaite vérifier cette relation qui relie le pH et la concentration en quantité de matière d’ions oxonium. On va pour cela diluer successivement d’un facteur 10 (dilution au dixième) une solution mère d’acide chlorhydrique. On mesurera ensuite le pH de chaque solution diluée pour tester cette relation.

2. La vérification de la relation entre le pH et la concentration en ions oxonium
a. Matériel utilisé

La préparation d’une solution par dilution nécessite l’utilisation du matériel de chimie suivant.

  • Solution S0 d’acide chlorhydrique (H3O+ (aq) + Cl (aq)) concentrée à 1,0 × 101 mol·L1
  • Bécher
  • Pipette jaugée
  • Pipeteur ou propipette
  • Fiole jaugée de volume souhaité et son bouchon
  • Pissette d’eau distillée
Remarque
La verrerie jaugée est toujours à privilégier car elle permet de mesurer un volume de précision.

La mesure de pH s’effectue à l’aide d’un pH-mètre.

b. Protocole expérimental
Préparation des solutions diluées

On dispose d’une solution S0 d’acide chlorhydrique (H3O+ (aq) + Cl (aq)) de concentration en quantité de matière C0 = 1,0 × 101 mol·L1. On a donc C0 = [H3O+] = [Cl] = 1,0 × 101 mol·L1.

On souhaite obtenir trois solutions diluées d’acide chlorhydrique dont les caractéristiques sont les suivantes.

Il faut au préalable calculer chaque volume Vp de solution mère qu’on doit prélever pour réaliser chaque solution fille.

Pour la première dilution, on a le calcul suivant.

  • Solution mère S0 de concentration C0 = 1,0 × 101 mol·L1
  • Solution fille S1 de concentration Cf1 = 1,0 × 102 mol·L1 et de volume Vf1 = 100 mL = 0,1 L

On calcule le volume Vp1 de la solution mère à prélever en appliquant la formule C0 × Vp1 = Cf1 × Vf1 soit Vp1 = .

Application numérique :
Vp1 =  = 0,01 L soit 10 mL

Il faut donc prélever 10 mL de la solution mère S0 pour préparer la solution fille S1.

Pour les autres dilutions, on remarque qu’il s’agit aussi de dilutions au dixième, qui s’appuient sur le même calcul.

Il faut ainsi :

  • prélever 10 mL de la solution mère S1 pour préparer la solution fille S2 ;
  • prélever 10 mL de la solution mère S2 pour préparer la solution fille S3.
Mode opératoire

En Travaux Pratiques, la méthode de préparation de chaque solution fille par dilution se fait suivant le protocole suivant.


Protocole expérimental pour préparer S1 à partir de S0
Mesure de pH des solutions diluées

On mesure le pH de chaque solution diluée à l’aide d’un pH-mètre. On verse pour cela la solution diluée dans un bécher puis on plonge l’électrode du pH-mètre. Entre chaque mesure du pH, on prend soin de nettoyer l’électrode à l’eau distillée.

On regroupe les résultats dans le tableau suivant.

Solution S0 S1 S2 S3
pHexpérimental 1,2 2,1 3,1 3,9

On connait la concentration en quantité de matière d’ions oxonium de chaque solution diluée, on peut donc calculer le pH de ces solutions grâce à la relation pH = . On regroupe les résultats dans le tableau suivant.

Solution S0 S1
pHthéorique
Solution S2 S3
pHthéorique
Conclusion
On remarque que le pHexpérimental est proche du pHthéorique pour chaque solution diluée, ce qui permet de vérifier la relation :
pH = 
Puisque C0= 1 mol·L1, on peut simplifier cette relation :
pH = log([H3O+])
Remarque
On remarque que la dilution d’un facteur 10 d’une solution acide augmente le pH d’une unité. Ainsi, plus on dilue une solution acide et plus son pH augmente, ce qui est normal car la solution devient moins acide.

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