Ce que mesure le pH

Le pH est le logarithme négatif en base dix de la concentration en ions hydrogène : pH = −log[H⁺]. L'échelle logarithmique existe parce que les concentrations en jeu couvrent quatorze ordres de grandeur, d'environ 1 mol/L dans les acides concentrés à 10⁻¹⁴ dans les bases fortes, et les écrire en entier serait impraticable. Conséquence : chaque unité de pH correspond à un facteur dix. Une solution à pH 3 est dix fois plus acide qu'une solution à pH 4 et cent fois plus qu'une solution à pH 5.

L'eau pure se dissocie très faiblement, et à 25 °C le produit des concentrations des deux ions vaut toujours 10⁻¹⁴. Tout le reste en découle : si [H⁺] augmente, [OH⁻] doit diminuer d'autant, et la somme pH + pOH reste 14. Le neutre est à 7 parce que c'est le point où les deux concentrations s'égalent, toutes deux à 10⁻⁷ mol/L.

La valeur 7 comme neutre ne vaut cependant qu'à 25 °C. Le produit ionique de l'eau augmente avec la température, et à 50 °C l'eau pure a un pH de 6,63 tout en restant parfaitement neutre : elle contient toujours autant de H⁺ que de OH⁻. C'est pourquoi une donnée de pH sans la température est incomplète, même si la pratique scolaire sous-entend toujours 25 °C.

Erreurs fréquentes

  • Traiter l'échelle comme linéaire : entre pH 2 et pH 5 il n'y a pas un facteur 2,5 mais un facteur mille. C'est l'erreur qui conduit à sous-estimer l'écart entre deux solutions.
  • Appliquer la formule de l'acide fort à un acide faible : l'acide acétique 0,1 M n'a pas un pH de 1, car il ne se dissocie que très peu. Pour les acides faibles il faut la constante d'acidité Ka.
  • Oublier que dans les acides diprotiques la concentration en H⁺ n'est pas celle de l'acide : l'acide sulfurique en libère deux par molécule.

Questions fréquentes

Comment calculer le pH à partir d'une concentration ?

pH = −log₁₀[H⁺]. Une solution contenant 0,001 mol/L d'ions H⁺ a un pH de 3. En sens inverse, [H⁺] = 10⁻ᵖᴴ.

Pourquoi pH + pOH donne-t-il toujours 14 ?

Parce qu'à 25 °C le produit ionique de l'eau vaut [H⁺]·[OH⁻] = 10⁻¹⁴. En appliquant le logarithme négatif aux deux membres, la somme des deux valeurs est 14. À d'autres températures la constante change et la somme n'est plus exactement 14.

Comment calculer le pH d'un acide fort ?

Un acide fort monoprotique est totalement dissocié, la concentration en H⁺ est donc celle de l'acide : le pH est le logarithme négatif de cette concentration. HCl 0,01 M a un pH de 2.

Le pH peut-il être négatif ou supérieur à 14 ?

Oui, pour des solutions très concentrées, même si c'est rare hors du laboratoire. Un acide chlorhydrique 2 M a un pH d'environ −0,3. Dans ce domaine, cependant, les formules fondées sur les concentrations perdent en précision et il faudrait utiliser les activités.

Comment fonctionne ce calcul

Définitions : pH = −log₁₀[H⁺] et pOH = −log₁₀[OH⁻], concentrations en mol/L. Inverses : [H⁺] = 10⁻ᵖᴴ et [OH⁻] = 10⁻ᵖᴼᴴ. Produit ionique de l'eau à 25 °C : Ke = [H⁺]·[OH⁻] = 1,0·10⁻¹⁴, d'où pH + pOH = 14. Acide fort monoprotique de concentration C : [H⁺] = C, donc pH = −log C. Base forte monobasique : [OH⁻] = C, donc pOH = −log C et pH = 14 + log C. Classification à 25 °C : pH < 7 acide, pH = 7 neutre, pH > 7 basique.