Acidité, le pH

Physique-chimie Troisième

Qu'est-ce que le pH ?

Acide, neutre ou basique

Certaines solutions, comme le vinaigre ou le jus de citron, ont un goût piquant : elles sont acides. D'autres, comme l'eau savonneuse ou la soude, sont basiques. L'eau pure n'est ni acide ni basique : elle est neutre. On mesure l'acidité d'une solution par son pH, un nombre sans unité compris entre 0 et 14.

01234567891011121314acidechlorhydriquejus decitronsodavinaigrecaféeau puresangeau de mersavonammoniaqueeau de chauxsoudesolutions acidesneutresolutions basiquesplus d'ions H⁺ que d'ions HO⁻autantplus d'ions HO⁻ que d'ions H⁺
  • pH inférieur à 7 : solution acide (d'autant plus acide que le pH est petit) ;
  • pH égal à 7 : solution neutre ;
  • pH supérieur à 7 : solution basique (d'autant plus basique que le pH est grand).

Mesurer un pH

  • Le papier pH : on y dépose une goutte de solution (ou on y trempe le bout du papier) et on compare sa couleur au nuancier de la boîte. Rapide, mais peu précis (à une unité près).
  • Le pH-mètre : on plonge sa sonde dans la solution et on lit le pH sur l'écran, au dixième près.

Les ions responsables

Mesures de pH

On mesure au papier pH le pH de cinq solutions dont on connaît les ions :

Solutionhydroxyde de sodium (soude)eau de chauxeau déminéraliséevinaigreacide chlorhydrique
Ions présents\(\mathrm{Na^{+}}\) et \(\mathrm{HO^{-}}\)\(\mathrm{Ca^{2+}}\) et \(\mathrm{HO^{-}}\)pas d'ion\(\mathrm{H^{+}}\) entre autres\(\mathrm{H^{+}}\) et \(\mathrm{Cl^{-}}\)
pH mesuré1312731

On ajoute aussi quelques gouttes de phénolphtaléine dans trois de ces solutions :

vinaigrepH = 3eaudéminéraliséesoudepH = 13Quelques gouttes de phénolphtaléine

Exploite le tableau et les tubes. 📄 ✏️

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1. Quelle solution est la plus acide ? la plus basique ?

La plus acide est celle qui a le plus petit pH : l'acide chlorhydrique (pH = 1). La plus basique a le plus grand pH : la soude (pH = 13).

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2. À quoi sert la phénolphtaléine ?

Elle devient rose dans une solution basique et reste incolore dans une solution acide ou neutre : elle permet de savoir très rapidement si un liquide est basique. Elle ne permet pas, en revanche, de distinguer un acide d'un liquide neutre.

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3. Quels ions sont responsables de l'acidité ? de la basicité ?

Les deux solutions acides contiennent des ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\) : ils sont responsables de l'acidité. Les deux solutions basiques contiennent des ions hydroxyde \(\mathrm{HO^{-}}\) : ils sont responsables de la basicité. Les ions \(\mathrm{Cl^{-}}\), \(\mathrm{Na^{+}}\) ou \(\mathrm{Ca^{2+}}\) changent d'une solution à l'autre : ils ne sont pas en cause.

  • Une solution acide contient plus d'ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\) que d'ions hydroxyde \(\mathrm{HO^{-}}\).
  • Une solution basique contient plus d'ions hydroxyde \(\mathrm{HO^{-}}\) que d'ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\).
  • Une solution neutre en contient autant.

La sécurité

Les acides et les bases concentrés sont dangereux. Les étiquettes des produits chimiques, au laboratoire comme à la maison, portent des pictogrammes de danger : un symbole noir dans un losange à bord rouge.

corrosif : ronge la peau, les yeux, les métaux
irritant, nocif : irrite la peau, les yeux
inflammable : peut prendre feu
toxique : dangereux même en petite quantité
dangereux pour l'environnement

L'acide chlorhydrique et la soude concentrés portent le pictogramme corrosif. On les manipule donc avec blouse, lunettes et gants, en petite quantité, et on ne les goûte jamais.

Pour diluer un acide, on verse toujours l'acide dans l'eau, jamais l'inverse : le mélange dégage de la chaleur et des projections sont possibles.

Identifier des solutions

L'énigme des quatre tubes

Un apprenti chimiste a préparé quatre solutions dans des tubes à essais, mais il ne sait plus dans quel ordre. Il s'agit de :

  • l'eau du robinet, neutre, qui contient un peu d'ions chlorure ;
  • l'eau salée, neutre, qui contient beaucoup d'ions chlorure ;
  • l'eau déminéralisée, qui ne contient pas d'ions ;
  • l'acide chlorhydrique, qui contient beaucoup d'ions chlorure.

On mesure le pH de chaque solution, puis on fait le test au nitrate d'argent (voir identifier des ions) sur un prélèvement :

papier pHnitrate d'argentpH = 7tube 1pH = 7tube 2pH = 1tube 3pH = 7tube 4

Aide l'apprenti chimiste. 📄 ✏️

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1. Quel tube contient l'acide chlorhydrique ?

Le seul pH inférieur à 7 est celui du tube 3 (pH = 1) : c'est l'acide chlorhydrique. Le précipité blanc confirme la présence d'ions chlorure.

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2. Comment distinguer les trois autres tubes, qui ont tous un pH de 7 ?

Le papier pH ne suffit pas : on utilise le test au nitrate d'argent. Tube 2 : rien, pas d'ions chlorure, c'est l'eau déminéralisée. Tube 1 : précipité abondant, beaucoup d'ions chlorure, c'est l'eau salée. Tube 4 : léger trouble, peu d'ions chlorure, c'est l'eau du robinet.

L'attaque du fer par un acide

L'expérience

Le pH de l'acide chlorhydrique vaut 1 ; le test au nitrate d'argent montre qu'il contient aussi des ions chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\). On introduit une spatule de poudre de fer dans un tube, on ajoute 6 mL d'acide chlorhydrique, puis on bouche le tube avec une pièce de monnaie.

📄 Document : propriétés de quelques gaz
  • Dans le dioxygène \(\mathrm{O_2}\), la combustion est très vive.
  • Dans le dioxyde de carbone \(\mathrm{CO_2}\), la flamme d'une allumette s'éteint.
  • Au contact du dihydrogène \(\mathrm{H_2}\), une allumette enflammée provoque une petite détonation (« pop ! »).

Observe l'animation et utilise le document. 📄 ✏️

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1. Quelle est la formule chimique du fer métallique ? Qu'observe-t-on pendant la réaction ?

Le fer a pour formule \(\mathrm{Fe}\). On observe un dégagement gazeux (bulles), la disparition progressive de la poudre de fer, une solution qui devient vert pâle et un tube qui chauffe.

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2. Quel ion de l'acide chlorhydrique attaque le fer ?

Ce sont les ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\), responsables de l'acidité. Les ions chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\) ne réagissent pas : on les retrouve dans le tube après la réaction (le test au nitrate d'argent donne toujours un précipité blanc). D'ailleurs, d'autres acides qui ne contiennent pas d'ions chlorure attaquent aussi le fer.

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3. Quel gaz se forme ? Justifie à l'aide du document.

L'allumette provoque une petite détonation : c'est du dihydrogène \(\mathrm{H_2}\).

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4. En quoi le fer s'est-il transformé ?

Avec la soude, le liquide filtré donne un précipité vert : il contient des ions fer II \(\mathrm{Fe^{2+}}\). Le fer métallique s'est transformé en ions fer II, qui donnent aussi la couleur vert pâle de la solution.

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5. Pourquoi le pH augmente-t-il pendant la réaction ?

Les ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\), responsables de l'acidité, sont consommés : ils se transforment en dihydrogène. La solution devient moins acide.

Le bilan de la réaction

Lors d'une transformation chimique, des réactifs disparaissent et des produits se forment. Les atomes se conservent : on retrouve les mêmes atomes, en même nombre, avant et après la réaction.
fer + acidechlorhydriquebulles de dihydrogène H₂« pop » avec une allumetteions fer II Fe²⁺ (vert pâle)précipité vert avec la soudepoudre de fer Fe qui disparaît

Les réactifs sont le fer \(\mathrm{Fe}\) et les ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\) de l'acide ; les produits sont les ions fer II \(\mathrm{Fe^{2+}}\) et le dihydrogène \(\mathrm{H_2}\). Les ions chlorure \(\mathrm{Cl^{-}}\) sont toujours là après la réaction : ils ne réagissent pas, on ne les écrit pas dans le bilan.

\[ \underbrace{\mathrm{Fe}}_{\text{fer métallique}} + \underbrace{\mathrm{2\,H^{+}}}_{\text{acide}} \coupure \longrightarrow \underbrace{\mathrm{Fe^{2+}}}_{\text{ions formés}} + \underbrace{\mathrm{H_2}}_{\text{gaz qui s’échappe}} \]

Vérifie que le bilan est bien écrit. 📄 ✏️

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1. Les atomes sont-ils conservés ?

Oui : 1 atome de fer et 2 atomes d'hydrogène à gauche ; 1 atome de fer (dans l'ion \(\mathrm{Fe^{2+}}\)) et 2 atomes d'hydrogène (dans \(\mathrm{H_2}\)) à droite.

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2. Pourquoi faut-il écrire 2 devant \(\mathrm{H^{+}}\) ?

Il faut 2 atomes d'hydrogène pour former une molécule \(\mathrm{H_2}\). On vérifie aussi les charges : 2 charges + à gauche (\(2\,\mathrm{H^{+}}\)), 2 charges + à droite (\(\mathrm{Fe^{2+}}\)).

Un acide attaque certains métaux comme le fer : il se forme du dihydrogène et des ions métalliques. C'est pourquoi on ne conserve pas un acide dans un récipient en métal.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Le pH

  • pH < 7 : acide ; pH = 7 : neutre ; pH > 7 : basique.
  • Mesure : papier pH (nuancier) ou pH-mètre (plus précis).
  • La phénolphtaléine devient rose en milieu basique.

Les ions

  • Ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\) : responsables de l'acidité.
  • Ions hydroxyde \(\mathrm{HO^{-}}\) : responsables de la basicité.

Acide et métal

  • L'acide chlorhydrique attaque le fer : dégagement de dihydrogène (« pop ! ») et formation d'ions fer II (précipité vert avec la soude).
  • \(\mathrm{Fe + 2\,H^{+} \longrightarrow Fe^{2+} + H_2}\) : atomes et charges conservés.

Sécurité

  • Acides et bases concentrés sont corrosifs : blouse, lunettes, gants.
  • Pictogrammes : corrosif, irritant, inflammable, toxique, dangereux pour l'environnement.
  • On verse toujours l'acide dans l'eau.

Exercices

Exercice 1 : texte à trous sur le pH ✏️

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : Vrai ou faux sur l'acidité ✏️

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 3 : acide, neutre ou basique ? ✏️

📝 Pour chaque liquide, indique s'il est acide, neutre ou basique.
💡 Indice Compare le pH à 7.
LiquidepHNature
jus de citron2,5
lait6,7
eau pure7
sang7,4
eau de mer8,2
soda au cola2,5
déboucheur13

Exercice 4 : les pictogrammes de danger ✏️

📝 Indique la signification de chaque pictogramme.
💡 Indice Que fait le produit à la main ? Qu'est-ce qui brûle ? Qu'est-ce qui meurt ?
N°PictogrammeSignification
1
2
3
4
5

Exercice 5 : le zinc et l'acide 📄 ✏️


On verse de l'acide chlorhydrique sur de la grenaille de zinc \(\mathrm{Zn}\). Il se forme des bulles ; une allumette approchée de l'ouverture du tube provoque une petite détonation. Avec la soude, le liquide obtenu donne un précipité blanc, caractéristique des ions zinc \(\mathrm{Zn^{2+}}\) (donnée).


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1. Quel gaz se forme ?
💡 Indice Utilise le document sur les gaz du cours.

La détonation montre qu'il s'agit du dihydrogène \(\mathrm{H_2}\).

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2. Quels sont les réactifs et les produits de la réaction ?
💡 Indice Fais comme pour le fer.

Réactifs : le zinc \(\mathrm{Zn}\) et les ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\). Produits : les ions zinc \(\mathrm{Zn^{2+}}\) et le dihydrogène \(\mathrm{H_2}\).

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3. Écris le bilan de la réaction et vérifie la conservation des atomes et des charges.
💡 Indice La réaction ressemble beaucoup à celle du fer.

\(\mathrm{Zn + 2\,H^{+} \longrightarrow Zn^{2+} + H_2}\) : 1 Zn et 2 H de chaque côté, 2 charges + de chaque côté.

📖
4. Comment évolue le pH de la solution pendant la réaction ?
💡 Indice Que deviennent les ions H⁺ ?

Le pH augmente : les ions \(\mathrm{H^{+}}\) sont consommés, la solution devient moins acide.

Exercice 6 : le détartrant de la cafetière 📄 ✏️


L'étiquette d'un détartrant pour cafetière porte le pictogramme « corrosif » et indique « pH = 2 ». Le mode d'emploi conseille de le diluer dans un litre d'eau, de faire fonctionner la cafetière, puis de la rincer deux fois à l'eau claire.


📖
1. Le détartrant est-il acide ou basique ? Quel ion est responsable de cette propriété ?
💡 Indice Compare le pH à 7.

pH = 2 < 7 : il est acide, à cause des ions hydrogène \(\mathrm{H^{+}}\).

📖
2. Quelles précautions faut-il prendre pour le manipuler ?
💡 Indice Le pictogramme indique un produit corrosif.

Porter des gants et des lunettes, éviter le contact avec la peau, et verser le détartrant dans l'eau (et non l'inverse).

📖
3. Pourquoi la cafetière ne doit-elle pas avoir de pièces en fer au contact du détartrant ?
💡 Indice Que fait un acide sur le fer ?

Un acide attaque le fer : la pièce serait rongée, avec formation de dihydrogène et d'ions fer.