Quelle est la signification d'une échelle de pH?

Même pour ceux qui préféreraient éviter d'apprendre la science, il serait difficile de négocier le monde sans entendre des références régulières à quelque chose appelé pH. Si vous n'avez pas besoin de savoir ce que c'est pour le cours de chimie, vous verrez probablement des références au niveau de pH et des termes associés tels que l'acidité et l'alcalinité, si vous regardez simplement quelques publicités de shampooing.

le échelle de pH est un outil que les chimistes ont conçu pour mesurer à quel point une solution est acide (ou alcaline, le contraire d'"acide"). Il est utilisé tous les jours dans d'innombrables applications, de la vérification du niveau de chlore dans votre spa là où il devrait être de permettre aux biochimistes de déterminer les conditions idéales pour les réactions affectées par l'acidité à se produire.

L'échelle de pH, comme beaucoup d'outils utilisés en sciences physiques, n'est pas ce que vous appelleriez une échelle « intuitive », comme celle qui va de 0 à 10 ou de 1 à 100 utilisée pour les scores ou les pourcentages typiques de quiz. Mais une fois que vous développez une profonde appréciation de ce que signifie le nombre en termes de comportement des molécules dans une solution aqueuse (molécules dissous dans des atomes et des molécules composants dans l'eau), l'ensemble du schéma a non seulement du sens, mais ouvre de nouvelles portes à une toute nouvelle compréhension de chimie.

L'abréviation pH signifie "potentiel d'ions hydrogène". Le terme a été inventé par le biochimiste danois Sren Sørenson, qui a défini le "p" comme des instructions pour prendre le négatif du logarithme de la concentration en ions hydrogène, écrit [H⁺]. Le pH est le logarithme négatif de la molarité de H, qui est une mesure des ions totaux par unité de volume plutôt que de la masse par unité de volume.

Mathématiquement, la définition du pH est

Dans une grande partie de la science physique, l'idée de « concentration » s'applique aux masses de particules plutôt qu'à leurs autres propriétés. Par exemple, si 5,85 grammes (g) de sel ordinaire (chlorure de sodium ou NaCl) sont dissous dans 1 000 millilitres ou ml (1 litre ou L) d'eau (H₂O), vous pouvez alors exprimer la concentration de chlorure de sodium dans l'eau dans ce cas comme 5,85 g/L, ou 5,85 mg/mL, ou d'autres unités équivalentes.

En chimie, cependant, la "quantité" d'une substance qui compte n'est pas le nombre de grammes ou de kilogrammes de celle-ci, mais le nombre d'atomes ou de molécules individuels. En effet, les atomes et les molécules réagissent les uns avec les autres en fonction de rapports atomiques et moléculaires, et non de rapports de masse.

Différents types d'atomes (c'est-à-dire différents éléments) ont des masses différentes, avec le nombre de grammes dans 1 mole (6.02 × 10²³ particules individuelles) donnée dans la "boîte" de l'élément dans le tableau périodique des éléments (voir les ressources).

Par exemple, une molécule de H₂O a deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Chaque H a une masse d'environ 1 g, tandis qu'un atome d'O a une masse d'un peu moins de 16 g. Ainsi, alors que 16/18 = 88,9 pour cent de la masse d'une molécule d'eau se compose d'oxygène, l'eau a toujours un rapport 2 à 1 d'atomes H sur O.

Ce concept est utilisé pour établir concentration molaire, ou alors moles par litre, désigné M. Or, la masse molaire de Na est de 23,0 g et celle du chlore de 35,5 g, donc 1 mole (1 mol, dans les calculs) de NaCl a une masse de 58,5 g. 5,85 g est 1/10e de cela, donc 5,85 g NaCl/1 L = une solution de 0,1 M NaCl,

Si vous n'êtes pas familier avec les logarithmes ou les journaux, considérez-les comme un moyen simple de compresser la véritable variabilité d'une quantité sous une forme plus mathématiquement applicable. Les journaux sont des exposants traités sous une forme sans exposant, ce qui nécessite un finagling mathématique et généralement une calculatrice.

La partie que vous devez savoir est que pour chaque facteur de 10 augmentation de la concentration d'ions hydrogène, le pH diminuera d'une unité entière et inversement. Cela signifie qu'une solution avec un pH de 5,0 a dix fois le [H⁺] d'une solution avec un pH de 6,0, et 1/1000ème le [H⁺] d'une solution à pH 3,0.

• La force de l'acide (c'est-à-dire les propriétés inhérentes des acides individuels) et la concentration en acide (que vous pouvez modifier en laboratoire) déterminent le pH d'une solution.

Comme indiqué, une solution 1 molaire (1M) d'ions hydrogène purs (sans anion associé) a un pH de 0. Ceci n'est pas visible dans la nature et est utilisé comme point de référence pour mesurer le pH à l'aide d'une électrode faisant partie d'un pH-mètre. Ceux-ci sont calibrés pour traduire les différences de tension entre la solution de référence et une solution d'intérêt en une valeur de pH pour cette dernière.

1 Môle d'ions par litre signifie environ 6,02 × 10²³ molécules ou atomes individuels (c'est-à-dire des particules individuelles) par litre de solution.

Les valeurs courantes de pH incluent environ 1,5 pour l'acide gastrique, environ 2 pour le jus de citron vert, 3,5 pour le vin, 7 pour l'eau pure, environ 7,4 pour le sang humain sain, 9 pour l'eau de Javel et 12 pour l'ammoniac domestique. Ces deux derniers composés sont fortement basiques et peuvent exercer des dommages physiques tout comme l'acide, bien que par un mécanisme différent.

Un anion circulant dans le sang appelé bicarbonate (HCO³⁻), qui se forme à partir d'eau et de dioxyde de carbone, maintient le sang quelque peu alcalin et agit comme un "tampon" dans le cas H⁺ les ions s'accumulent rapidement dans le sang, comme lorsque la respiration est interrompue pendant des périodes prolongées.

Vous avez peut-être vu des publicités pour des « antiacides », qui sont des substances qui, contrairement aux acides, peut accepter des protons, souvent en donnant un groupe hydroxyle (-OH) qui accepte le proton pour former une eau molécule.

Le "balayage" résultant des ions H+ dans l'estomac à partir de l'acide chlorhydrique que l'estomac sécrète naturellement peut soulager les effets néfastes de l'acide sur les membranes internes.

Exemple: Quel est le pH d'une solution avec un [H+] de 4,9×10⁻⁷ M?

pH=−log[H⁺] = −log[4,9 × 10⁻⁷] = 6.31.

Notez que le signe négatif explique le fait que les faibles concentrations d'ions observées dans les solutions produiraient une échelle avec des résultats négatifs dans le cas contraire, en raison des valeurs négatives des exposants.

Exemple: Quelle est la concentration en ions hydrogène d'une solution avec un pH de 8,45 ?

Cette fois, vous utilisez la même équation d'une manière légèrement différente :

8.45 =−log[H⁺], ou -8,45 = log[H⁺].

Pour résoudre, vous utilisez le fait que le nombre entre parenthèses n'est que la base du journal, 10, élevé à la valeur du journal lui-même :

[H+] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ M.

Voir les ressources pour un exemple d'outil qui vous permet de manipuler l'identité et la concentration des acides en solution dans la détermination des valeurs de pH associées.

Notez qu'en expérimentant avec différents acides dans la liste déroulante fournie et en utilisant différentes concentrations molaires, vous découvrez un fait intéressant sur le pH: cela dépend à la fois de l'identité de l'acide (et donc de sa force inhérente) et de sa concentration. Un acide plus faible dans une concentration molaire plus élevée peut donc produire une solution avec un pH plus bas qu'une solution suffisamment diluée d'un acide plus fort.