Chimie

Caractériser une solution acido-basique

sciences · Durée indicative : 4 h

Définir et calculer le pH d'une solution aqueuse (pH = −log [H₃O⁺]), relier acidité et concentration en ions oxonium, et appliquer aux solutions du quotidien du magasin : détartrants, dégraissants, produits cosmétiques, eaux.

1. Le pH : mesurer l'acidité d'une solution

Le détartrant qui rend leur éclat aux vitrines est acide ; le dégraissant des surfaces est basique. Pour les utiliser correctement et sans danger, il faut savoir caractériser leur acidité : c'est le rôle du pH.

pH d'une solution aqueuse : grandeur sans unité définie par :

pH = −log [H3O+]

où [H3O+] est la concentration en ions oxonium H3O+ (ion caractéristique des acides), exprimée en mol·L−1.

Relation inverse : [H3O+] = 10−pH.

Échelle de pH (conditions usuelles) :

  • pH < 7 : solution acide — plus [H3O+] est forte, plus la solution est acide et plus le pH est faible ;
  • pH ≈ 7 : solution neutre — le pH de l'eau pure est voisin de 7 ;
  • pH > 7 : solution basique (peu d'ions H3O+).

Échelle logarithmique : quand le pH diminue de 1 unité, [H3O+] est multipliée par 10. Un détartrant à pH 2 est 100 fois plus concentré en H3O+ qu'une solution à pH 4.

Solution courantepH approximatifCaractère
Détartrant (acide)2Très acide
Vinaigre ménager2,4 – 3Acide
Eau minérale6 – 7,5Quasi neutre
Savon / crème lavante8 – 10Basique
Dégraissant (ammoniaque, soude diluée)11 – 13Très basique

2. Calculer le pH à partir de la concentration

Exemple résolu — Solution de détartrant diluée : une solution préparée pour nettoyer les vitres contient [H3O+] = 5,0 × 10−3 mol·L−1. Quel est son pH ?

pH = −log (5,0 × 10−3) = −(log 5,0 − 3) = −(0,70 − 3) = 2,3.

pH < 7 : la solution est acide — gants obligatoires pour la manipulation.

Exemple résolu — Sens inverse : le pH d'un savon liquide est 9,0. Quelle est sa concentration en ions oxonium ?

[H3O+] = 10−9,0 = 1,0 × 10−9 mol·L−1 : concentration très faible → solution basique.

Calculer un pH pas à pas :

  • 1. Vérifier que la concentration est en mol·L−1 et l'écrire en notation scientifique (a × 10−n).
  • 2. À la calculatrice : pH = −log(a × 10−n).
  • 3. Contrôle rapide : si a = 1,0, alors pH = n exactement ; sinon le pH est compris entre n−1 et n.
  • 4. Conclure sur le caractère : pH < 7 acide, ≈ 7 neutre, > 7 basique.

3. Mesurer et vérifier le caractère logarithmique

Échelle de pH : chaque unité divise la concentration en H₃O⁺ par 10
Le pH est logarithmique : passer de pH 3 à pH 4 divise [H₃O⁺] par 10.

Vérifier le modèle logarithmique (protocole) :

  • 1. Préparer une solution mère d'acide (ex. [H3O+] = 1,0 × 10−1 mol·L−1) puis des dilutions successives au 1/10 : 10−2, 10−3, 10−4 mol·L−1.
  • 2. Mesurer le pH de chaque solution au pH-mètre étalonné.
  • 3. Constater : à chaque dilution par 10, le pH augmente d'environ 1 unité → le pH suit bien un modèle logarithmique (linéaire en fonction de −log[H3O+]).
  • 4. Tracer pH = f(−log[H3O+]) : la droite obtenue confirme la relation pH = −log [H3O+].

Sécurité : les produits d'entretien acides ou basiques concentrés sont corrosifs (pictogramme corrosion sur l'étiquette) : porter gants, lunettes et blouse ; ne jamais mélanger un détartrant acide avec de l'eau de Javel (dégagement de dichlore toxique !) ; diluer selon la notice ; trier les déchets chimiques dans les contenants prévus, jamais au lavabo pour les produits concentrés.

Mesures et incertitudes : le pH-mètre doit être étalonné avant mesure ; rincer la sonde à l'eau distillée entre deux solutions ; attendre la stabilité de l'affichage ; donner le résultat au dixième près maximum (pH = 2,3, pas 2,31 475).

Exercices d'entraînement