Le pH expliqué : acide, neutre, basique

Le pH est un nombre qui dit si une solution aqueuse est acide, neutre ou basique. En dessous de 7, elle est acide ; à 7, neutre ; au-dessus, basique. L'échelle courante va de 0 à 14, même si des solutions très concentrées peuvent en sortir.

Ce nombre mesure en réalité la quantité d'ions hydrogène dans le liquide, mais sous une forme compressée : un logarithme. C'est ce détail qui piège presque tout le monde. Passer de 6 à 5, ce n'est pas « un peu plus acide », c'est dix fois plus d'ions hydrogène. On y vient pas à pas, avec des exemples de cuisine et un peu de calcul, comme on le fait souvent dans la rubrique Physique et chimie du quotidien.

D'où vient le pH

La notion a été introduite en 1909 par le chimiste danois Søren Sørensen, qui travaillait au laboratoire Carlsberg à Copenhague. Il avait besoin d'un moyen simple de comparer l'acidité de solutions dont les concentrations en ions hydrogène s'étalaient sur des puissances de dix. Écrire 0,0000001 ou 0,001 mole par litre devient vite pénible. Il a donc proposé de ne garder que l'exposant, avec le signe changé.

L'origine exacte du « p » fait encore débat. On lit souvent « potentiel » ou « puissance » de l'hydrogène, mais aucune explication ne fait l'unanimité, et ce n'est pas très grave : ce qui compte, c'est la définition.

Ce que mesure vraiment le pH

Les ions hydrogène

Un acide, dans l'eau, libère des ions hydrogène H⁺ (en réalité, ils s'accrochent aussitôt à une molécule d'eau pour former l'ion oxonium H₃O⁺). Une base fait l'inverse : elle capte ces ions, ou libère des ions hydroxyde HO⁻ qui les neutralisent.

Le pH se définit ainsi :

pH = − log [H₃O⁺]

où [H₃O⁺] est la concentration en ions oxonium, en moles par litre. Si cette concentration vaut 10⁻³ mol/L, le pH vaut 3. Si elle vaut 10⁻⁹ mol/L, le pH vaut 9.

Pourquoi le neutre est à 7

Même parfaitement pure, l'eau n'est pas inerte. Une infime partie de ses molécules se scinde en un ion H₃O⁺ et un ion HO⁻. À 25 °C, le produit de leurs concentrations vaut 10⁻¹⁴. Comme il y en a autant de chaque sorte, chacune vaut 10⁻⁷ mol/L. D'où le pH de 7.

Ce 7 n'est vrai qu'à 25 °C. Les manuels de chimie physique, comme les ressources en ligne de LibreTexts, indiquent que l'eau pure a un pH d'environ 6,14 à 100 °C. Elle n'est pas devenue acide pour autant : il y a toujours exactement autant d'ions H₃O⁺ que d'ions HO⁻. C'est cette égalité qui définit le neutre, pas le chiffre 7.

Une échelle logarithmique, et c'est là que tout se joue

Un logarithme transforme les multiplications en additions. Sur l'échelle du pH, chaque unité correspond à un facteur 10 sur la concentration en ions hydrogène. Le signe moins inverse le sens : plus il y a d'ions hydrogène, plus le pH est bas.

Une solution à pH 3 contient donc mille fois plus d'ions hydrogène qu'une solution à pH 6. Deux chiffres proches, un écart énorme : c'est tout l'intérêt d'un logarithme.

La première ligne du tableau prend tout son sens avec l'océan. Selon un rapport de l'Académie des sciences consacré à l'acidification des océans, le pH moyen de l'eau de mer en surface a baissé d'environ 0,1 unité depuis le début de l'ère industrielle, ce qui correspond à une hausse d'environ 26 % de la concentration en ions hydrogène. L'océan reste basique, autour de 8,1, mais il s'est rapproché du neutre. La cause est le dioxyde de carbone absorbé par l'eau de mer, qui forme de l'acide carbonique. Pour comprendre d'où vient la composition de cette eau, notre article Pourquoi la mer est-elle salée ? raconte le trajet des sels jusqu'à l'océan.

Acide, neutre, basique : des repères au quotidien

Dans une cuisine, on trouve sans chercher des deux côtés de l'échelle. Le vinaigre, le jus de citron et les boissons gazeuses sont acides. Le bicarbonate de soude dissous dans l'eau est basique, tout comme le savon. L'eau du robinet tourne autour du neutre, avec des variations selon les régions et le traitement qu'elle reçoit.

Les acides et les bases se neutralisent. Du vinaigre versé sur du bicarbonate mousse aussitôt : l'acide réagit avec le bicarbonate et libère du dioxyde de carbone. C'est la même famille de réaction qui fait lever certains gâteaux avec la levure chimique, un mélange de bicarbonate et d'un acide sec qui ne réagissent qu'une fois mouillés.

Le pH change aussi la cuisson. Une pâte légèrement basique brunit plus vite au four, parce que les réactions de brunissement sont favorisées en milieu basique. On en parle en détail dans notre article sur la réaction de Maillard.

Le chou rouge, un indicateur de pH dans la cuisine

Il existe une façon très visuelle de « voir » le pH sans appareil : un indicateur coloré. Le plus connu à la maison est le jus de chou rouge.

Pourquoi il change de couleur

Le chou rouge contient des anthocyanes, des pigments dont la structure chimique change avec l'acidité du milieu. Selon CultureSciences-Chimie, le site de ressources de l'École normale supérieure, la couleur du jus évolue du rouge au jaune en passant par toute une gamme de teintes à mesure que le pH monte. En pratique, on observe du rose ou du rouge en milieu acide, du violet vers le neutre, puis du bleu et du vert en milieu basique, et du jaune pour les bases les plus fortes.

Les mêmes familles de pigments colorent d'autres plantes, et elles jouent aussi un rôle dans les rouges de l'automne, comme l'explique notre article sur les feuilles qui changent de couleur.

Ce que j'ai vu en le faisant chez moi

Chez moi, j'ai fait l'expérience classique : quelques feuilles de chou rouge coupées et couvertes d'eau chaude, on laisse infuser, on filtre. Un trait de vinaigre dans un verre, une pincée de bicarbonate dans un autre, et les deux verres partent chacun de leur côté, rose d'un côté, bleu-vert de l'autre. Ce que j'avais raté la première fois, c'est la conservation : le jus garde mal sa couleur. CultureSciences-Chimie signale d'ailleurs que la teinte peut virer au jaune sans changement de pH, parce que les anthocyanes se dégradent, par exemple sous l'action d'un oxydant présent dans une lessive.

Le chou rouge reste un outil pédagogique. Il indique une zone, pas une valeur précise.

Mesurer le pH plus précisément

Le papier pH

Le papier pH est imprégné d'un mélange d'indicateurs. On le trempe, on compare la couleur à une échelle imprimée. La lecture se fait à l'unité près, parfois à la demi-unité.

Le pH-mètre

Pour aller plus loin, on utilise un pH-mètre. Sa sonde, souvent une électrode de verre, développe une petite tension électrique qui dépend de la concentration en ions hydrogène. L'appareil convertit cette tension en pH. Quand je travaillais en contrôle qualité dans l'agroalimentaire, c'était un geste de routine, et la leçon la plus utile tenait en un mot : étalonnage. Un pH-mètre se règle avec des solutions de référence de pH connu, et il dérive avec le temps et la température. Sans étalonnage, le chiffre affiché à deux décimales donne une fausse impression de précision.

La température compte aussi pour une autre raison : comme on l'a vu avec l'eau pure, le pH d'une solution change avec elle. Les appareils sérieux corrigent cet effet automatiquement.

Les erreurs de lecture les plus fréquentes

La première consiste à lire l'échelle comme une règle graduée régulière. Un pH de 4 n'est pas « deux fois moins acide » qu'un pH de 2 : il y a cent fois moins d'ions hydrogène.

La deuxième consiste à croire que 7 signifie toujours neutre. C'est vrai à 25 °C dans l'eau. À une autre température, le neutre se déplace.

La troisième consiste à confondre pH et « agressivité ». Un liquide très basique, comme certains produits de nettoyage, attaque la matière tout autant qu'un liquide très acide. Les deux extrémités de l'échelle sont corrosives.

La dernière concerne les liquides qui ne sont pas de l'eau. Le pH, tel que Sørensen l'a défini, s'applique aux solutions aqueuses. Parler du pH d'une huile n'a pas vraiment de sens.

Un chiffre, dix fois plus

Le pH compte les ions hydrogène, à l'envers et en puissances de dix. Bas, c'est acide ; haut, c'est basique ; et le neutre, c'est l'égalité entre ions H₃O⁺ et HO⁻, qui tombe à 7 dans l'eau à 25 °C. Une fois qu'on a compris le facteur 10 par unité, on lit autrement les petits écarts : les 0,1 unité perdus par l'océan, qui paraissent minuscules, représentent un quart d'ions hydrogène en plus. Et le changement d'état de l'eau, autre classique de la rubrique, se lit dans notre article sur les trois états de l'eau.