Certains produits — eau minérale, savon, shampoing… — affichent des informations sur le pH (symbole de « potentiel hydrogène »[1]) du produit. Le pH est un indicateur sur l’acidité (au sens chimique) d’un milieu. Il est entré dans le langage courant.
Or, tous les acides ne se valent pas : l’acide sulfurique est autrement plus dangereux que du jus de citron, par exemple. Pour cette raison, il a été créé l’échelle du pH pour mesurer et quantifier l’acidité d’une solution.
Bien que, dans l’absolu, une solution plus acide qu’une autre donne une certaine indication sur la dangerosité d’un produit, ce n’est pas toujours le cas (il faut plutôt tenir compte de l’activité chimique des molécules en jeu). Dans cet article, cependant, on va rester dans le simple et laisser ce point de côté.
L’échelle du pH
L’échelle de pH quantifie en réalité la quantité d’hydrogène ionique dans une solution : il compte le nombre d’ions $H^+$ pour chaque molécule dans la solution. Notons au passage qu’un ion $H^+$, qui est un atome d’hydrogène sans électron, est appelé « hydron » et, dans le cas de l’isotope le plus simple (et de loin le plus courant) de l’hydrogène, est simplement un proton.
Ainsi, une solution avec un pH de 0 a un ion $H^+$ pour chaque autre molécule en présence. Une solution au pH de 1, a un ion $H^+$ pour dix autre molécules. Pour un pH de 2, c’est 1 pour 100, et ainsi de suite.
L’échelle est donc logarithmique : chaque unité sur le pH correspond a un facteur 10 sur la concentration des ions $H^+$.
Dans une solution aqueuse à 25 °C, le pH est une échelle qui va de 0 à 14 : les solutions acides ont un pH entre 0 et 7, et les solutions basiques de 7 à 14. Quand le pH vaut 7, elle est dite neutre.
Le pH neutre
Quand le pH est de 7, la solution est neutre : il y a alors un ion $H^+$ pour 10⁷ (soit dix millions) molécules. Ceci correspond au pH de l’eau pure : en effet, dans l’eau pure, environ une molécule d’eau sur 10 millions se disloque et devient $H^++HO^-$. Cette séparation spontanée d’une molécule d’eau se nomme l’autoprotolyse de l’eau (auto (seule), proto (proton), lyse (destruction)). Dans une solution d’eau pure, il y a autant d’ions $H^+$ que d’ions $HO^-$.
Acidité et basicité
Quand on verse un acide dans un verre d’eau, le produit va libérer un ion $H^+$ à lui. On se retrouve alors avec davantage d’ions $H^+$ que d’ions $HO^-$. Le ratio d’ions $H^+$ par rapport aux autres molécules en présence augmente et le pH descend.
À l’inverse, si l’on verse une base dans de l’eau, la base libère des ions $HO^-$ (ou absorbe des ions $H^+$) et on a plus d’ions $HO^-$ que d’ions $H^+$ : la solution devient basique.
Un acide est donc capable de libérer des hydrons (protons) dans la solution. En général, si ça se passe dans l’eau, l’ion $H^+$ se combine avec une (ou plusieurs) molécule d’eau pour former un ion $H_3O^+$.
Si l’on se retrouve avec d’autres molécules (comme un métal), l’hydron ou l’acide peut également se lier à ces molécules là et réagir avec.
Ceci est le mécanisme qui rend les acides si dangereux : une fois qu’ils se sont débarrassés de leur hydron, le produit est très réactif et peut aller attaquer à peu près n’importe quoi.
Certains super-acides sont si puissants qu’ils « forcent » les autres molécules a accepter leur hydron. L’acide fluoroantimonique (le plus puissant super-acide connu) est ainsi capable d’attaquer le verre, le plastique, l’or, l’air, l’eau… bref, tous les éléments à l’exception du téflon (suffisamment stable pour résister au hydron libéré).
Pour les bases, c’est la même chose, à l’exception qu’un hydron n’est pas éjecté mais capturé : une base peut aller voler un ion hydrogène ou tout autre ion positif d’une molécule qui se trouvait sur son chemin.
En conclusion
Le pH indique la concentration des ion $H^+$ dans la solution.
Certains acides sont moins acides que d'autres : l'acide sulfurique, par exemple, libère deux ions $H^+$ par molécule, alors que l'acide chlorhydrique ou nitrique, seulement un.
Il faut aussi considérer que chaque molécule de l'acide ne se sépare pas forcément de son $H^+$. On parle alors de la force des acides : plus l’acide se disloque, plus il est fort (on parle d’acides forts). À l’inverse, on a à faire à un acide faible si peu de $H^+$ ne sont que libérés. Mais là, ça sort un peu du cadre de cet article.
Notes
[1] La signification « potentiel hydrogène » pour pH a été choisie après le symbole lui-même : à l’origine, il s’agit d’une simple notation, qu’on retrouve aussi dans « pKa », par exemple.