La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

18Acides, bases et pH

Sur une étagère de cuisine se trouvent un citron, une bouteille de vinaigre, un savon et une boîte de bicarbonate de soude ; sous l’évier, un flacon de déboucheur avec une étiquette d’avertissement noir et rouge. Certains ont un goût acide, d’autres sont glissants au toucher, d’autres peuvent brûler la peau. Une seule échelle, graduée de 0 à 14, les classe tous — et la même échelle sert pour les piscines, la terre du jardin, le sang et les océans.

Rappel

Les ions sont des atomes ou des groupes d’atomes porteurs d’une charge ; un cation comme $\ce{Na+}$ est positif, un anion comme $\ce{Cl-}$ ou $\ce{OH-}$ négatif. Les solutions ioniques contiennent des ions notés (aq), qui se déplacent librement (Chapitre 17).

Citron, vinaigre, savon et bicarbonate de soude : des acides et des bases dans la cuisine.

18.1 Solutions acides, basiques et neutres

Définition 18.1 (Solutions acides, basiques et neutres)

Toute solution aqueuse contient des ions hydrogène $\ce{H+(aq)}$ et des ions hydroxyde $\ce{OH-(aq)}$ . Une solution est une solution acide quand elle contient plus d’ions $\ce{H+}$ que d’ions $\ce{OH-}$ , une solution basique quand elle contient plus d’ions $\ce{OH-}$ que d’ions $\ce{H+}$ , et une solution neutre quand elle en contient autant des uns que des autres.

Exemple 18.2 (Trois solutions)

L’acide chlorhydrique est une solution acide : elle contient des ions $\ce{H+(aq)}$ et $\ce{Cl-(aq)}$ , avec très peu d’ions $\ce{OH-}$ . Une solution d’hydroxyde de sodium est basique : $\ce{Na+(aq)}$ et $\ce{OH-(aq)}$ , avec très peu d’ions $\ce{H+}$ . L’eau pure et l’eau salée sont neutres.

18.2 L’échelle de pH

Définition 18.3 (pH)

Le pH d’une solution aqueuse est un nombre, en général compris entre 0 et 14, qui indique à quel point elle est acide ou basique : à $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , une solution neutre a un pH égal à 7, une solution acide un pH inférieur à 7, une solution basique un pH supérieur à 7. Plus une solution contient d’ions $\ce{H+}$ , plus son pH est bas.

L’échelle de pH, avec le pH de quelques solutions courantes.

Définition 18.4 (Papier pH et pH-mètre)

Le papier pH est une bande de papier imprégnée d’un mélange de colorants qui prend une couleur différente à chaque pH ; on y dépose une goutte de la solution et on compare la couleur obtenue à une échelle imprimée sur la boîte. Un pH-mètre mesure le pH à l’aide d’une sonde en verre plongée dans la solution et l’affiche sous forme d’un nombre, à une ou deux décimales.

Méthode 18.5 (Mesurer un pH avec du papier pH)

Poser une petite bande de papier pH dans une coupelle propre et sèche.
Avec un agitateur en verre propre, déposer une goutte de la solution sur la bande (ne jamais tremper la bande dans le flacon).
Comparer aussitôt la couleur à l’échelle et lire le pH, en général à l’unité près.

Mesure d’un pH avec un pH-mètre : la sonde en verre plonge dans la solution, que l’on agite doucement.

18.3 Diluer un acide

Proposition 18.6 (Diluer rapproche le pH de 7)

Ajouter de l’eau à une solution acide répartit ses ions $\ce{H+}$ dans un volume plus grand : le pH augmente, vers 7, mais sans jamais le dépasser. Pour un acide comme l’acide chlorhydrique, diluer dix fois augmente le pH d’environ une unité : un volume d’acide à pH 2 plus neuf volumes d’eau donnent une solution à pH 3. Diluer une solution basique fait de même baisser son pH vers 7.

On dilue un acide dix fois, puis encore dix fois : le pH passe de 2 à 3, puis à 4 (chaque bécher contient un dixième de la solution précédente, complété avec de l’eau).

Au laboratoire — Diluer un acide

Pour diluer un acide, l’enseignant verse toujours l’acide lentement dans l’eau, jamais l’eau dans l’acide : le mélange dégage de la chaleur, et de l’eau versée sur un acide concentré peut bouillir aussitôt et projeter de l’acide hors du récipient.

18.4 Acides et bases de tous les jours

Proposition 18.7 (Les acides et les bases autour de nous)

Acides : le jus de citron et de citron vert, le vinaigre, le vin, les boissons gazeuses, le café, le suc gastrique de l’estomac. Basiques : l’eau de mer (légèrement), le bicarbonate de soude dissous dans l’eau, le savon, le lait de magnésie (un remède contre l’acidité de l’estomac), l’ammoniaque ménagère, l’eau de Javel, le déboucheur (très fortement).

Exemple 18.8 (Le pH de l’océan)

Le pH moyen de l’océan vaut environ 8.1 : il est légèrement basique. Depuis le début de l’ère industrielle, le dioxyde de carbone qui s’y dissout à partir de l’air a fait baisser le pH des eaux de surface d’environ 0.1 : les océans deviennent lentement moins basiques, ce qui nuit aux coquillages et aux coraux.

Le jus de chou rouge, préparé par un enseignant, change de couleur avec le pH : rouge dans les acides, violet près de la neutralité, puis bleu, vert et jaune dans des solutions de plus en plus basiques.

18.5 La sécurité avec les produits corrosifs

Sécurité

L’acide chlorhydrique concentré et l’hydroxyde de sodium (la base des déboucheurs) portent le pictogramme de corrosion GHS05 : ils provoquent de graves brûlures de la peau et des yeux et attaquent les métaux. GHS07 : irritant. Lunettes et gants ; une éclaboussure se rince aussitôt à grande eau.

Remarque 18.9 (Ne jamais mélanger les produits ménagers)

Les produits acides et basiques réagissent entre eux, parfois violemment, et certains mélanges libèrent des gaz toxiques : l’eau de Javel mélangée à un détartrant acide dégage du dichlore. On ne mélange jamais les produits ménagers.

18.6 Exercices

Exercice 18.1 ★

Acide, basique ou neutre ? Une solution de pH 3, une de pH 7, une de pH 11.

Solution

Solution de Exercice 18.1.

pH 3 : acide. pH 7 : neutre. pH 11 : basique.

Exercice 18.2 ★

Quels ions sont les plus nombreux dans une solution acide ? Dans une solution basique ?

Solution

Solution de Exercice 18.2.

Solution acide : les ions $\ce{H+}$ . Solution basique : les ions $\ce{OH-}$ .

Exercice 18.3 ★

À l’aide de l’échelle de pH de ce chapitre, range de la plus acide à la plus basique : le café, l’eau de mer, le jus de citron vert, l’ammoniaque ménagère, l’eau pure.

Solution

Solution de Exercice 18.3.

Le jus de citron vert (2), le café (5), l’eau pure (7), l’eau de mer (8.1), l’ammoniaque ménagère (12).

Exercice 18.4 ★

Décris comment mesurer le pH d’une solution avec du papier pH.

Solution

Solution de Exercice 18.4.

On dépose sur une bande posée dans une coupelle propre et sèche une goutte de la solution prélevée avec un agitateur en verre propre ; on compare aussitôt la couleur à l’échelle.

Exercice 18.5 ★★

On dilue dix fois avec de l’eau une solution de pH 4. Quel est, environ, son nouveau pH ? Et si on la dilue cent fois ?

Solution

Solution de Exercice 18.5.

Environ 5 après une dilution au dixième ; environ 6 après une dilution au centième.

Exercice 18.6 ★★

Une solution acide peut-elle devenir basique si on lui ajoute de l’eau ? Explique.

Solution

Solution de Exercice 18.6.

Non. Diluer rapproche le pH de 7, mais ne le fait jamais dépasser : l’eau elle-même est neutre, et en ajouter ne peut pas rendre les ions $\ce{OH-}$ plus nombreux que les ions $\ce{H+}$ .

Exercice 18.7 ★★

Pourquoi faut-il verser l’acide dans l’eau, et non l’inverse ?

Solution

Solution de Exercice 18.7.

Le mélange dégage de la chaleur. De l’eau versée sur un acide concentré pourrait bouillir aussitôt et projeter de l’acide ; de l’acide versé lentement dans l’eau se répartit aussitôt dans un grand volume.

Exercice 18.8 ★★

Un flacon porte le pictogramme GHS05. Que signifie-t-il ? Donne deux précautions.

Solution

Solution de Exercice 18.8.

Corrosif : brûle la peau et les yeux, attaque les métaux. Porter des lunettes et des gants ; rincer toute éclaboussure à grande eau.

Exercice 18.9 ★★

Combien de dilutions au dixième faut-il pour faire passer un acide de pH 1 à pH 4 ? Quelle est la dilution totale ?

Solution

Solution de Exercice 18.9.

Trois dilutions (de 1 à 2, de 2 à 3, de 3 à 4) : $10 \times 10 \times 10 = 1000$ fois.

Exercice 18.10 ★★

On prend du lait de magnésie contre l’acidité de l’estomac. Explique pourquoi à l’aide de l’échelle de pH.

Solution

Solution de Exercice 18.10.

Le lait de magnésie est basique (pH d’environ 10.5) : il réagit avec une partie de l’excès d’acide de l’estomac.

Exercice 18.11 ★★★

Le pH de l’océan a baissé d’environ 0.1 depuis l’ère industrielle. L’océan est-il acide aujourd’hui ? Dans quel sens évolue-t-il, et pourquoi ?

Solution

Solution de Exercice 18.11.

Non : avec un pH de 8.1, il est encore légèrement basique. Il évolue vers un pH plus bas, moins basique, parce que du dioxyde de carbone de l’air s’y dissout.

Exercice 18.12 ★★★

Un élève mesure le pH d’un même vinaigre avec du papier pH (3) et avec un pH-mètre (2.6). Explique pourquoi les deux résultats diffèrent et lequel est le plus précis.

Solution

Solution de Exercice 18.12.

Le papier pH se lit à l’œil sur une échelle de couleurs, à environ une unité près ; le pH-mètre donne un nombre à une ou deux décimales. Le pH-mètre est plus précis ; les deux résultats concordent dans la limite de précision du papier.

18.7 Problème : la fuite d’acide

Problème 18.1

Problème du week-end — un litre d’acide renversé dans un évier de laboratoire, et pourquoi le diluer n’est pas la solution

Un flacon contenant $1\,\mathrm{L}$ d’acide chlorhydrique dilué, de pH 2, se brise dans un évier de laboratoire. L’évacuation ne doit recevoir aucune solution de pH inférieur à 5. On prendra la règle de ce chapitre : pour cet acide, chaque dilution au dixième augmente le pH d’une unité.

Partie I — L’acide.

La solution est-elle acide, neutre ou basique ? Quels ions contient-elle en plus grand nombre ?
Quel pictogramme le flacon doit-il porter, et pourquoi ?
L’enseignant mesure le pH avec un pH-mètre plutôt qu’avec du papier pH. Donne un avantage.
Combien de fois plus d’ions $\ce{H+}$ y a-t-il dans un litre à pH 2 que dans un litre à pH 3 du même acide ?

Partie II — Diluer.

Quel volume de solution obtient-on en diluant dix fois le litre d’acide ? Quel est son pH ?
Combien de dilutions au dixième faut-il pour atteindre pH 5 ?
Quel volume total de solution cela ferait-il ?
Une quantité d’eau, quelle qu’elle soit, pourrait-elle rendre la solution basique ? Explique.

Partie III — Une meilleure méthode. L’enseignant ajoute plutôt, peu à peu, une solution d’une base jusqu’à ce que le papier pH indique 7 : les ions $\ce{H+}$ de l’acide réagissent avec les ions $\ce{OH-}$ de la base.

Écris l’équation de la réaction entre les ions $\ce{H+}$ et $\ce{OH-}$ .
Pourquoi est-ce mieux que de diluer ?
Nomme un produit basique de tous les jours qui pourrait servir dans une cuisine à nettoyer une petite flaque de vinaigre.
Calcule le volume d’eau qu’il faudrait ajouter au litre d’acide pour l’amener à pH 5.

Solution

Solution de Problème 18.1.

1. Acide : elle contient surtout des ions $\ce{H+(aq)}$ et $\ce{Cl-(aq)}$ .

2. GHS05, corrosif : un acide attaque la peau, les yeux et les métaux.

3. Il donne un nombre précis au lieu d’une couleur à comparer à l’œil.

4. Dix fois plus : une unité de pH correspond à une dilution au dixième.

5. $10\,\mathrm{L}$ , de pH 3.

6. Trois : de pH 2 à 3, de 3 à 4, de 4 à 5.

7. $1 \times 10 \times 10 \times 10 = 1000\,\mathrm{L}$ .

8. Non : diluer ne fait que rapprocher le pH de 7.

9. $\ce{H+ + OH- -> H2O}$ .

10. L’acide est détruit, transformé en eau, au lieu d’être réparti dans un énorme volume ; il suffit d’un peu de base, et non de mille litres d’eau.

11. Du bicarbonate de soude dissous dans l’eau (ou de l’eau savonneuse).

12. $1000 - 1 = 999\,\mathrm{L}$ d’eau.

Termes définis dans ce chapitre

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