Le pH, ou l'art de compter les zéros (chou rouge inclus)

Le citron pique, le savon glisse, et ton estomac baigne dans un liquide parfois plus acide que le jus de citron… sans se digérer lui-même. Derrière toutes ces bizarreries se cache un petit nombre de deux lettres : le pH. Bonne nouvelle : pour le comprendre, il suffit de savoir compter les zéros.

Une échelle à l'envers (évidemment)

Le pH indique si une solution aqueuse (de l'eau avec des choses dissoutes dedans) est acide, neutre ou basique. Pour les solutions de tous les jours, à 25 °C, il va de 0 à 14. Pile au milieu, 7, c'est neutre, comme l'eau pure. En dessous, c'est acide ; au-dessus, basique. Eh oui, l'échelle marche à l'envers : plus le pH est petit, plus ça pique. Comme dans un classement, c'est le numéro 1 le plus redoutable.

Côté acide, on croise ton suc gastrique (entre 1,5 et 3,5 environ ; l'estomac se protège grâce à une couche de mucus), le jus de citron (vers 2) et le café (vers 5). Côté basique, l'eau de mer (vers 8,1), le savon (9 à 10) et l'eau de Javel (vers 12). Et ton sang ? Il reste réglé entre 7,35 et 7,45, quoi que tu manges. Désolé pour les régimes « alcalins » : ton corps ne laisse personne toucher à ce bouton.

Le pH, c'est le nombre de zéros

Ce qui rend une solution acide, ce sont les ions oxonium, H₃O⁺ : des molécules d'eau qui ont récupéré un proton en trop. Plus il y en a, plus c'est acide. On mesure leur concentration en moles par litre, et voilà l'astuce. Dans le jus de citron, il y en a environ 0,01 mol/L : deux zéros, pH 2. Dans l'eau pure, 0,000 000 1 mol/L : sept zéros, pH 7. En simplifiant à peine, le pH, c'est le nombre de zéros ! Les matheux l'écrivent avec le logarithme décimal, la fonction qui renvoie l'exposant d'une puissance de 10 :

pH = −log [H₃O⁺]

avec la concentration en mol/L (les puristes la divisent par 1 mol/L pour que tout soit sans unité). Conséquence énorme : un cran de pH en moins, c'est dix fois plus d'ions oxonium. Le citron en contient environ 1 000 fois plus que le café. Et l'eau pure ? À peu près un ion oxonium pour 550 millions de molécules d'eau : il se sent seul. Les puissances de 10 te donnent le tournis ? Essaie le jeu de notation scientifique.

Acide, base : la patate chaude du proton

Mais au fond, c'est quoi, un acide ? Depuis 1923 et les chimistes Johannes Brønsted et Thomas Lowry, la réponse tient dans une partie de patate chaude. L'acide se débarrasse d'un proton H⁺ (un atome d'hydrogène qui a perdu son électron) ; la base l'attrape. Dans l'eau, le proton ne reste jamais seul : il saute sur une molécule d'eau pour former… un ion oxonium. La boucle est bouclée.

Dans le vinaigre, l'acide éthanoïque est un lanceur timide : moins d'une molécule sur cent lâche vraiment son proton, et la réaction s'arrête en chemin, dans un équilibre. C'est un acide faible. Le chlorure d'hydrogène, lui, réagit totalement avec l'eau : c'est un acide fort. Attention, « fort » ne veut pas dire « concentré » : l'un parle de la générosité de l'acide, l'autre de la quantité versée dans l'eau. Pour voir une réaction qui s'arrête à mi-chemin, ouvre l'animation de l'équilibre chimique.

Détail amusant : en lâchant son proton, l'acide devient une base (il pourrait le récupérer) ; les deux forment un couple acide/base. Et l'eau, base ou acide selon le partenaire, est un vrai agent double, dit amphotère.

Ton labo de chimie est dans le bac à légumes

Pas de pH-mètre à la maison ? Le chou rouge en est un. Ses pigments, les anthocyanes, changent de couleur avec le pH : rouge-rose en milieu acide, violet vers la neutralité, bleu puis vert en milieu basique. En simplifiant, chaque pigment existe sous une forme acide et une forme basique (encore un couple !) qui n'ont pas la même couleur : c'est le principe des indicateurs colorés du labo.

Le titrage, ou la goutte qui fait déborder le pH

Au labo, pour savoir combien d'acide contient une solution, on réalise un titrage : on y verse une base goutte à goutte en surveillant le pH. Au début, chaque goutte neutralise un peu d'acide et le pH bouge à peine. Puis, quand le dernier acide disparaît, une seule goutte fait bondir le pH de plusieurs unités : la goutte d'eau qui fait déborder le vase, version chimie. Le volume versé à cet instant révèle la quantité d'acide de départ.

Pour voir ça bouger : l'animation du titrage acide-base, avec le fameux saut de pH.

Règle d'or à la maison : ne mélange jamais eau de Javel et produit acide (vinaigre, détartrant), car cela libère du dichlore, un gaz toxique.

Pour aller plus loin

• Le potentiel hydrogène (pH), sur Wikipédia
• La théorie de Brønsted-Lowry, sur Wikipédia
• Cours, fiches et exercices de physique-chimie de Terminale (réactions acido-basiques, force des acides et des bases)