En chimie, le pH est une échelle logarithmique utilisée pour déterminer l'acidité d'un milieu. C'est approximativement le logarithme de base 10 négatif de la concentration molaire, mesurée en unités de moles par litre d'ions hydrogène. On peut aussi l'appeler un indicateur de l'acidité de l'environnement. Plus précisément, c'est le logarithme négatif en base 10 de l'activité des ions hydrogène. A 25°C, les solutions dont le pH est inférieur à 7 sont acides et les solutions dont le pH est supérieur à 7 sont basiques. La valeur du pH neutre dépend de la température et est inférieure à 7 lorsque la température augmente. L'eau pure est neutre, pH=7 (à 25°C), ni acide ni alcaline. Contrairement à la croyance populaire, la valeur du pH peut être inférieure à 0 ou supérieure à 14 pour les acides et les bases très forts, respectivement.
Demande
Les mesures de pH sont importantes en agronomie, médecine, chimie, traitement de l'eau et bien d'autres domaines.
L'échelle de pH est pertinente pour un ensemble de solutions étalons dont l'acidité est établie par leaccord. Les étalons de pH primaires sont déterminés à l'aide d'une cellule de concentration de transfert en mesurant la différence de potentiel entre une électrode à hydrogène et une électrode standard telle que le chlorure d'argent. Le pH des solutions aqueuses peut être mesuré avec une électrode en verre et un pH-mètre ou un indicateur.
Ouverture
Le concept de pH a été introduit pour la première fois par le chimiste danois Søren Peter Laurits Sørensen au laboratoire Carlsberg en 1909 et révisé au niveau de pH actuel en 1924 pour tenir compte des définitions et des mesures en termes de cellules électrochimiques. Dans les premiers travaux, la notation avait la lettre H en minuscule p, ce qui signifie: pH.
Origine du nom
La signification exacte du p est contestée, mais selon la Fondation Carlsberg, pH signifie "la puissance de l'hydrogène". Il a également été suggéré que le p représente le mot allemand potenz ("puissance"), d'autres se réfèrent au français puisance (signifiant également "puissance", basé sur le fait que le laboratoire Carlsberg était français). Une autre suggestion est que p fait référence au terme latin pondus hydroii (quantité d'hydrogène), potentio hydroii (capacité d'hydrogène) ou potential hydroli (potentiel d'hydrogène). Il est également suggéré que Sørensen a utilisé les lettres p et q (généralement des lettres conjuguées en mathématiques) simplement pour désigner la solution de test (p) et la solution de référence (q). Actuellement, en chimie, p représente le logarithme décimal, et est également utilisé dans le terme pKa, utilisé pour les constantes de dissociation de l'acidité d'un milieu.
Contributions américaines
La bactériologiste Alice Evans, connue pour l'influence de ses travaux sur les produits laitiers et la sécurité alimentaire, a crédité William Mansfield Clark et ses collègues pour avoir développé des méthodes de mesure du pH dans les années 1910, qui ont ensuite eu un large impact sur les laboratoires et l'industrie. utiliser. Dans ses mémoires, elle ne mentionne pas à quel point Clarke et ses collègues connaissaient peu le travail de Sorensen dans les années précédentes. Déjà à cette époque, les scientifiques étudiaient activement la question de l'acidité/alcalinité de l'environnement.
Influence de l'acide
L'attention du Dr Clark s'est portée sur l'effet de l'acide sur la croissance bactérienne. Et grâce à cela, il a complété l'idée de la science de l'époque de l'indice d'hydrogène de l'acidité de l'environnement. Il a découvert que c'était l'intensité de l'acide en termes de concentration d'ions hydrogène qui affectait leur croissance. Mais les méthodes existantes pour mesurer l'acidité d'un milieu déterminaient la quantité, pas l'intensité de l'acide. Puis, avec ses collègues, le Dr Clark a développé des méthodes précises pour mesurer la concentration des ions hydrogène. Ces méthodes ont remplacé la méthode de titrage imprécise pour la détermination de l'acide dans les laboratoires biologiques du monde entier. Il a également été constaté qu'ils peuvent être utilisés dans de nombreux processus industriels et autres dans lesquels ils sont largement utilisés.
Aspect pratique
La première méthode électronique de mesure du pH a été inventée par Arnold Orville Beckman, professeur au California Institute of Technology, en 1934. C'est à ce moment que le producteur d'agrumes localSunkist voulait une meilleure méthode pour tester rapidement le pH des citrons récoltés dans les vergers voisins. L'influence de l'acidité du milieu a toujours été prise en compte.
Par exemple, pour une solution avec une activité d'ions hydrogène de 5 × 10–6 (à ce niveau, c'est en fait le nombre de moles d'ions hydrogène par litre de solution), on obtient 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Ainsi, une telle solution a un pH de 5,3. On pense que les masses de une mole d'eau, une mole d'ions hydrogène et une mole d'ions hydroxyde sont respectivement 18 g, 1 g et 17 g, la quantité d'eau pure 107 moles (pH 7) contient environ 1 g d'ions hydrogène dissociés (ou, plus précisément, 19 g de H3O + ions hydronium) et 17 g d'ions hydroxyde.
Le rôle de la température
Notez que le pH dépend de la température. Par exemple, à 0 °C, le pH de l'eau pure est de 7,47. À 25 °C, il est de 7 et à 100 °C, il est de 6,14.
Le potentiel de l'électrode est proportionnel au pH lorsque le pH est défini en termes d'activité. La mesure précise du pH est présentée dans la norme internationale ISO 31-8.
Une cellule galvanique est configurée pour mesurer la force électromotrice (FEM) entre l'électrode de référence et l'électrode de détection d'activité des ions hydrogène lorsque les deux sont immergées dans la même solution aqueuse. L'électrode de référence peut être un objet en chlorure d'argent ou une électrode au calomel. Une électrode sélective d'ions hydrogène est standard pour ces applications.
Pour mettre ce processus en pratique, une électrode de verre est utilisée à la place d'une électrode à hydrogène encombrante. Ilpossède une électrode de référence intégrée. Il est également calibré par rapport à des solutions tampons avec une activité connue des ions hydrogène. L'IUPAC a suggéré d'utiliser un ensemble de solutions tampons avec une activité H+ connue. Deux ou plusieurs solutions tampons sont utilisées pour tenir compte du fait que la pente peut être légèrement inférieure à l'idéal. Pour mettre en œuvre cette approche d'étalonnage, l'électrode est d'abord immergée dans une solution standard et la lecture du pH-mètre est réglée sur la valeur du tampon standard.
Quelle est la prochaine ?
La lecture de la deuxième solution tampon standard est ensuite corrigée à l'aide du contrôle de la pente pour être égale au niveau de pH de cette solution. Lorsque plus de deux solutions tampons sont utilisées, l'électrode est calibrée en ajustant les valeurs de pH observées sur une ligne droite par rapport aux valeurs de tampon standard. Les solutions tampons standard du commerce sont généralement fournies avec des informations sur la valeur à 25 °C et le facteur de correction à appliquer pour les autres températures.
Définition caractéristique
L'échelle de pH est logarithmique et, par conséquent, le pH est une grandeur sans dimension, souvent utilisée, entre autres, pour mesurer l'acidité de l'environnement interne de la cellule. C'était la définition originale de Sorensen, qui a été remplacée en 1909.
Cependant, il est possible de mesurer directement la concentration en ions hydrogène si l'électrode est calibrée en termes de concentrations en ions hydrogène. Une manière d'y parvenir, largement utilisée, consiste à titrer une solution de concentration connueacide fort avec une solution d'une concentration connue d'un alcali fort en présence d'une concentration relativement élevée d'un électrolyte de support. Étant donné que les concentrations d'acide et d'alcali sont connues, il est facile de calculer la concentration en ions hydrogène afin que le potentiel puisse être lié à la valeur mesurée.
Les indicateurs peuvent être utilisés pour mesurer le pH en utilisant le fait que leur couleur change. La comparaison visuelle de la couleur de la solution d'essai avec une échelle de couleurs standard permet de mesurer le pH avec une précision entière. Des mesures plus précises sont possibles si la couleur est mesurée par spectrophotométrie à l'aide d'un colorimètre ou d'un spectrophotomètre. L'indicateur universel est composé d'un mélange d'indicateurs de sorte qu'il y ait un changement de couleur permanent d'environ pH 2 à pH 10. Le papier indicateur universel est fabriqué à partir de papier absorbant qui a été imprégné d'un indicateur universel. Une autre méthode pour mesurer le pH consiste à utiliser un pH-mètre électronique.
Niveaux de mesure
Mesurer le pH en dessous d'environ 2,5 (environ 0,003 mole d'acide) et au-dessus d'environ 10,5 (environ 0,0003 mole d'alcali) nécessite des procédures spéciales car la loi de Nernst est violée à de telles valeurs lors de l'utilisation d'une électrode de verre. Divers facteurs y contribuent. On ne peut pas supposer que les potentiels de transition liquide sont indépendants du pH. De plus, un pH extrême signifie que la solution est concentrée, de sorte que les potentiels d'électrode sont affectés par le changement de force ionique. A pH élevé, l'électrode de verre peut êtresujet à une erreur alcaline car l'électrode devient sensible à la concentration de cations tels que Na+ et K+ en solution. Des électrodes spécialement conçues sont disponibles pour résoudre partiellement ces problèmes.
Le ruissellement des mines ou des déchets miniers peut entraîner des valeurs de pH très basses.
L'eau pure est neutre. Ce n'est pas acide. Lorsque l'acide se dissout dans l'eau, le pH sera inférieur à 7 (25°C). Lorsqu'un alcali se dissout dans l'eau, le pH sera supérieur à 7. Une solution à 1 mol d'un acide fort tel que l'acide chlorhydrique a un pH de zéro. Une solution d'un alcali fort tel que l'hydroxyde de sodium à une concentration de 1 mol a un pH de 14. Ainsi, les valeurs de pH mesurées se situeront généralement dans la plage de 0 à 14, bien que des valeurs de pH et des valeurs négatives au-dessus de 14 sont tout à fait possibles.
Cela dépend beaucoup de l'acidité du milieu de la solution. Comme le pH est une échelle logarithmique, une différence d'une unité de pH équivaut à dix fois la différence de concentration en ions hydrogène. La neutralité PH n'atteint pas tout à fait 7 (à 25 °C), même si dans la plupart des cas c'est une bonne approximation. La neutralité est définie comme la condition dans laquelle [H+]=[OH-]. Comme l'auto-ionisation de l'eau maintient le produit de ces concentrations [H+] × [OH-]=Kw, on voit qu'à neutralité [H+]=[OH-]=√Kw ou pH=pKw / 2.
PKw est d'environ 14, mais dépend de la force ionique et de la température, de sorte que la valeur du pH du milieu compte également, qui doit être neutreniveau. L'eau pure et une solution de NaCl dans de l'eau pure sont neutres car la dissociation de l'eau produit la même quantité des deux ions. Cependant, le pH d'une solution neutre de NaCl sera légèrement différent du pH de l'eau pure neutre, puisque l'activité des ions hydrogène et hydroxyde dépend de la force ionique, donc Kw varie avec la force ionique.
Plantes
Les pigments végétaux dépendants qui peuvent être utilisés comme indicateurs de pH se trouvent dans de nombreuses plantes, notamment l'hibiscus, le chou rouge (anthocyanine) et le vin rouge. Le jus d'agrumes est acide car il contient de l'acide citrique. D'autres acides carboxyliques se trouvent dans de nombreux systèmes vivants. Par exemple, l'acide lactique est produit par l'activité musculaire. L'état de protonation des dérivés phosphatés, comme l'ATP, dépend de l'acidité du milieu pH. Le fonctionnement de l'enzyme de transfert d'oxygène de l'hémoglobine est affecté par le pH dans un processus connu sous le nom d'effet racine.
Eau de mer
Dans l'eau de mer, le pH est généralement limité entre 7,5 et 8,4. Il joue un rôle important dans le cycle du carbone dans l'océan, et il existe des preuves de l'acidification continue des océans causée par les émissions de dioxyde de carbone. Cependant, la mesure du pH est compliquée par les propriétés chimiques de l'eau de mer, et il existe plusieurs échelles de pH différentes en océanographie chimique.
Solutions spéciales
Dans le cadre de la définition opérationnelle de l'échelle d'acidité (pH), l'IUPAC définit une série de solutions tampons dans la plage de pH (souvent appeléesNBS ou NIST). Ces solutions ont une force ionique relativement faible (≈0,1) par rapport à l'eau de mer (≈0,7) et par conséquent ne sont pas recommandées pour une utilisation dans la caractérisation du pH de l'eau de mer car les différences de force ionique provoquent des changements de potentiel d'électrode. Pour résoudre ce problème, une série alternative de tampons à base d'eau de mer artificielle a été développée.
Cette nouvelle série résout le problème des différences de force ionique entre les échantillons et les tampons, et la nouvelle échelle de pH pour l'acidité moyenne est appelée l'échelle commune, souvent appelée pH. L'échelle globale a été déterminée en utilisant un milieu contenant des ions sulfate. Ces ions subissent une protonation, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, donc l'échelle totale inclut l'influence des protons (ions hydrogène libres) et des ions sulfure d'hydrogène:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
L'échelle libre alternative, souvent appelée pHF, omet cette considération et se concentre exclusivement sur [H+]F, ce qui en fait en principe une représentation plus simple de la concentration en ions hydrogène. Seul [H+] T peut être déterminé, donc [H+] F doit être estimé en utilisant [SO2-4] et la constante de stabilité HSO-4, KS:
[H+] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Cependant, il est difficile d'estimer KS dans l'eau de mer, ce qui limite l'utilité d'une échelle libre plus simple.
Une autre échelle, connue sous le nom d'échelle de l'eau de mer, souvent appelée pHSWS, prend en compte la liaison protonique supplémentaire entre les ions hydrogène et les ions fluorure, H+ + F- ⇌HF. Le résultat est l'expression suivante pour [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Cependant, l'intérêt de prendre en compte cette complexité supplémentaire dépend de la teneur en fluor du milieu. Par exemple, dans l'eau de mer, les ions sulfate se trouvent à des concentrations beaucoup plus élevées (> 400 fois) que les concentrations de fluor. Par conséquent, dans la plupart des cas pratiques, la différence entre l'échelle commune et l'échelle de l'eau de mer est très faible.
Les trois équations suivantes résument les trois échelles de pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
D'un point de vue pratique, les trois échelles de pH d'un environnement acide (ou eau de mer) diffèrent dans leurs valeurs jusqu'à 0,12 unités de pH, et les différences sont beaucoup plus importantes que ce qui est habituellement requis pour la précision de Mesures de pH, en particulier par rapport au système carbonaté océanique.
