Acides, bases et pH

Les prérequis (à avoir en tête)

Avant de parler de pH, trois petites choses suffisent :

• Une solution aqueuse, c'est quelque chose de dissous dans l'eau (du sucre, du sel, du vinaigre... mélangés à de l'eau).
• Savoir comparer deux nombres : par exemple $2 \lt 7$ et $12 \gt 7$. C'est tout ce dont tu as besoin comme « maths ».
• Certaines solutions sont acides (le vinaigre, le jus de citron), d'autres basiques (l'eau de Javel, la lessive), d'autres neutres (l'eau pure).

L'essentiel + la règle à retenir

Le pH (on dit « potentiel Hydrogène ») est un nombre sans unité, compris entre 0 et 14. Il mesure si une solution est acide ou basique.

La règle tient en trois lignes :

• Acide : $0 \le \text{pH} \lt 7$ (plus le pH est petit, plus c'est acide).
• Neutre : $\text{pH} = 7$ (comme l'eau pure).
• Basique : $7 \lt \text{pH} \le 14$ (plus le pH est grand, plus c'est basique).

Retiens l'image : 7, c'est le milieu. En dessous de 7 on va vers l'acide, au-dessus on va vers le basique.

Un exemple traité en entier

Énoncé. On mesure le pH de trois solutions : jus de citron $\text{pH} = 2$, eau pure $\text{pH} = 7$, eau de Javel $\text{pH} = 12$. Dis pour chacune si elle est acide, neutre ou basique.

Étape 1 — Le jus de citron : on compare 2 à 7. Comme $2 \lt 7$, il est acide.

Étape 2 — L'eau pure : son pH vaut exactement 7, donc $\text{pH} = 7$ : elle est neutre.

Étape 3 — L'eau de Javel : on compare 12 à 7. Comme $12 \gt 7$, elle est basique.

Conclusion. Citron = acide, eau pure = neutre, Javel = basique. Le seul repère utilisé : se situer par rapport à 7.

Les définitions propres

En solution aqueuse, on distingue trois types de solutions :

• Acide : goût aigre, peut attaquer certains métaux. Exemples : vinaigre, jus de citron, limonade.
• Basique : toucher savonneux, souvent corrosive quand elle est concentrée. Exemples : eau de Javel, soude, lessive.
• Neutre : ni acide ni basique. Exemple : eau pure distillée.

Le pH (potentiel Hydrogène) est un nombre sans unité compris entre 0 et 14 qui quantifie ce caractère : plus le pH est faible, plus la solution est acide ; plus il est élevé, plus elle est basique.

L'échelle du pH, zone par zone

On place toutes les solutions sur une même règle graduée de 0 à 14 :

• Zone acide : $0 \le \text{pH} \lt 7$.
• Point neutre : $\text{pH} = 7$.
• Zone basique : $7 \lt \text{pH} \le 14$.

Méthode pour classer une solution (toujours les mêmes gestes) :

1. On repère la valeur du pH.

2. On la compare à 7.

3. Plus petit que 7 : acide. Égal à 7 : neutre. Plus grand que 7 : basique.

Sur l'échelle ci-dessous, quelques solutions courantes : le jus de citron ($\text{pH} \approx 2$) à gauche, côté acide ; l'eau pure au centre ($\text{pH} = 7$) ; l'eau de Javel ($\text{pH} \approx 12$) à droite, côté basique.

Comment mesurer le pH

Trois méthodes sont au programme :

• Le papier pH (papier indicateur universel) : on y dépose une goutte de solution, puis on compare la couleur obtenue à l'échelle colorimétrique fournie.
• Le pH-mètre : on plonge l'électrode propre dans la solution et on lit la valeur affichée. C'est la méthode la plus précise.
• Les indicateurs colorés (bleu de bromothymol, rouge de méthyle, phénolphtaléine) : on ajoute quelques gouttes et on observe le changement de couleur par rapport à un témoin.

Exemple traité. On trempe du papier pH dans du café : il indique $\text{pH} \approx 5$. Comme $5 \lt 7$, le café est acide (mais faiblement, car 5 n'est pas très loin de 7).

Exemple 1 — ranger des solutions de la plus acide à la plus basique

Énoncé. On donne quatre solutions avec leur pH : vinaigre ($\text{pH} = 3$), café ($\text{pH} = 5$), eau de mer ($\text{pH} = 8$), savon ($\text{pH} = 9$). Range-les de la plus acide à la plus basique.

On le fait ensemble — « la plus acide » = celle qui a le plus petit pH. Il suffit donc de ranger les nombres dans l'ordre croissant.

Étape 1 — On classe les valeurs : $3 \lt 5 \lt 8 \lt 9$.

Étape 2 — On associe chaque valeur à sa solution : 3 = vinaigre, 5 = café, 8 = eau de mer, 9 = savon.

Étape 3 — On vérifie le caractère : vinaigre et café ont un pH inférieur à 7 (acides), eau de mer et savon un pH supérieur à 7 (basiques). C'est cohérent.

Réponse. De la plus acide à la plus basique : vinaigre, café, eau de mer, savon.

Exemple 2 — comparer deux solutions

Énoncé. La solution A a un pH de 2 et la solution B un pH de 5. Laquelle est la plus acide ? Sont-elles toutes les deux acides ?

On le fait ensemble — attention au piège : un pH plus petit veut dire plus acide, pas l'inverse.

Étape 1 — On compare les deux pH : $2 \lt 5$.

Étape 2 — Le plus petit pH correspond à la solution la plus acide, donc A ($\text{pH} = 2$) est plus acide que B ($\text{pH} = 5$).

Étape 3 — Sont-elles acides ? On compare chaque pH à 7 : $2 \lt 7$ et $5 \lt 7$, donc oui, les deux sont acides.

Réponse. A est la plus acide ; A et B sont toutes les deux acides.

Exemple 3 — lire un test au papier pH

Énoncé. On trempe du papier pH dans de l'eau de Javel : il prend une teinte bleu-violet correspondant à $\text{pH} \approx 12$ sur l'échelle colorimétrique. Que conclure ? Quelle précaution prendre ?

On le fait ensemble — lire un papier pH, c'est comparer la couleur obtenue à l'échelle fournie, puis interpréter la valeur.

Étape 1 — La couleur donne $\text{pH} \approx 12$.

Étape 2 — On compare à 7 : $12 \gt 7$, donc la solution est basique.

Étape 3 — Comme 12 est très loin de 7 et proche de 14, la solution est nettement basique (et non faiblement, comme le café à $\text{pH} \approx 5$). Quelle précaution ? L'eau de Javel du commerce est un produit basique concentré : comme pour tout produit de ce type, on la manipule avec des gants et des lunettes, en suivant les pictogrammes de danger de l'étiquette.

Réponse. L'eau de Javel est nettement basique ($\text{pH} \approx 12$) et doit être manipulée avec précaution.

Les subtilités et les pièges classiques

• Petit pH = acide, pas basique : $\text{pH} = 2$ est plus acide que $\text{pH} = 6$. Ne pas inverser.
• Acide ne veut pas dire dangereux : le jus de citron est acide ($\text{pH} \approx 2$) mais inoffensif ; la lessive est basique et pourtant irritante. C'est la concentration qui rend corrosif, pas le simple fait d'être acide ou basique.
• Le pH n'a pas d'unité : on écrit $\text{pH} = 5$, jamais « $\text{pH} = 5$ mol/L ». Le confondre avec une concentration coûte des points.
• L'eau du robinet n'est pas neutre : son pH est souvent entre 7 et 7,5, donc légèrement basique. Seule l'eau pure distillée a exactement $\text{pH} = 7$.
• Sécurité : pour manipuler acides et bases concentrés, blouse, lunettes et gants ; on lit les pictogrammes de danger (corrosif).

Problème type 1 — l'effet de la dilution

Énoncé. Léa mesure le pH d'un jus de citron : $\text{pH} = 2$. Elle ajoute beaucoup d'eau, puis mesure à nouveau : $\text{pH} = 4$. La solution est-elle devenue plus acide ou moins acide ? Est-elle encore acide ?

Étape 1 — On compare les deux pH : le pH est passé de 2 à 4, il a augmenté.

Étape 2 — Quand on dilue une solution acide (on ajoute de l'eau), son pH augmente et se rapproche de 7 : la solution devient moins acide.

Étape 3 — Est-elle encore acide ? On compare 4 à 7 : $4 \lt 7$, donc oui, elle reste acide, mais moins qu'avant.

À l'inverse, diluer une solution basique fait diminuer son pH vers 7.

Réponse. En ajoutant de l'eau, le pH monte de 2 à 4 : la solution est moins acide qu'au départ, tout en restant acide.

Ce que le correcteur attend : que tu relies clairement « on ajoute de l'eau » à « le pH se rapproche de 7 », et que tu ne dises pas que la solution est devenue basique (elle est seulement moins acide).

Problème type 2 — vrai ou faux à justifier

Énoncé. Une solution a un $\text{pH} = 8{,}5$. Réponds par vrai ou faux, en justifiant : (a) elle est acide ; (b) c'est de l'eau pure ; (c) son pH n'a pas d'unité.

(a) « Elle est acide » : faux. On compare : $8{,}5 \gt 7$, donc la solution est basique.

(b) « C'est de l'eau pure » : faux. L'eau pure a $\text{pH} = 7$ ; ici le pH vaut 8,5, ce n'est donc pas de l'eau pure.

(c) « Son pH n'a pas d'unité » : vrai. Le pH est un nombre sans unité, on n'ajoute jamais de mol/L derrière.

Ce que le correcteur attend : chaque réponse justifiée par une comparaison chiffrée (ici, situer 8,5 par rapport à 7), pas seulement « vrai » ou « faux » tout seul.

Ce qu'il y a derrière le pH : les ions

Tu as vu (ou tu verras) le chapitre sur les atomes, molécules et ions. Il éclaire le pH :

• Une solution acide contient beaucoup d'ions hydrogène, notés $\text{H}^+$.
• Une solution basique contient beaucoup d'ions hydroxyde, notés $\text{HO}^-$.
• Dans une solution neutre, il y en a autant des deux.

Le pH n'est donc qu'une façon de compter ces ions hydrogène : plus il y a d'ions $\text{H}^+$, plus la solution est acide, et plus le pH est petit.

Un avant-goût du lycée : le pH et le facteur 10

Au lycée, tu apprendras une chose surprenante : chaque fois que le pH baisse de 1, la quantité d'ions $\text{H}^+$ est multipliée par 10.

Autrement dit, une solution de $\text{pH} = 2$ contient 10 fois plus d'ions $\text{H}^+$ qu'une solution de $\text{pH} = 3$, et 100 fois plus qu'une de $\text{pH} = 4$.

C'est pour ça que passer de pH 2 à pH 4 (comme dans la dilution du citron plus haut) change énormément l'acidité, même si « 2 et 4 » semblent proches sur l'échelle.

En terminale, cela s'écrira même avec une formule : $\text{pH} = -\log([\text{H}_3\text{O}^+])$ — mais ça, c'est pour plus tard.

Les ponts avec d'autres notions

• Transformations chimiques : mélanger un acide et une base, c'est une vraie réaction chimique (une neutralisation) ; les réactifs disparaissent, des produits apparaissent.
• Les métaux : les acides « attaquent » certains métaux, ce qui est justement une transformation chimique (dégagement de gaz, métal qui se dissout).
• L'électricité : comme elles contiennent des ions, les solutions acides et basiques conduisent le courant — un lien direct avec le chapitre sur les circuits et la conduction.
• La vie de tous les jours : le pH sert partout, du contrôle de l'eau d'un aquarium ou d'une piscine à la mesure des pluies acides.