L'echelle de pH : la chimie des acides et des bases

Pressez un citron sur votre langue et votre visage se crispe avant meme que vous ayez le temps d'y penser. Mordez par accident dans un savon et c'est une tout autre sensation, un glissement desagreable, qui envahit votre bouche. Ces deux reactions sont d'antiques alarmes chimiques. Bien avant que quiconque puisse nommer un ion hydrogene, le corps avait deja appris a faire la difference entre l'aigre et l'amer, entre l'acidite mordante d'un acide et la glissance savonneuse d'une base. Cet instinct, affine par des millions d'annees d'evolution, fait de maniere grossiere ce qu'un chimiste fait avec une bande de papier pH.

L'echelle de pH est le langage formel qui traduit cette meme distinction. Elle comprime l'enorme eventail d'acidite present dans le monde en une suite bien ordonnee de nombres, generalement de 0 a 14, et elle gouverne une variete stupefiante de choses : la capacite de votre sang a transporter l'oxygene, la survie d'un recif corallien, la levee du pain, la charge d'une pile. La comprendre transforme une serie de nombres mysterieux en une histoire qui parle d'une seule minuscule particule et de la facon dont elle se retrouve plus ou moins nombreuse.

Ce que le pH mesure reellement

Au coeur de toute l'idee se trouve l'eau, et l'eau est plus sournoise qu'elle n'en a l'air. Dans n'importe quel verre d'eau pure, une petite fraction des molecules se separe et se recombine en permanence. Lorsqu'une molecule de H2O se brise, elle produit un ion hydrogene charge positivement (souvent ecrit H+, et en realite lie a une autre molecule d'eau sous forme d'hydronium) et un ion hydroxyde charge negativement (OH-). Dans l'eau pure, ces deux ions sont produits en nombres exactement egaux, de sorte que le liquide n'est ni acide ni basique. Il est neutre.

Le pH est simplement une mesure du nombre de ces ions hydrogene qui flottent autour. Un acide est une substance qui, lorsqu'elle est dissoute, libere des ions hydrogene supplementaires et fait pencher la balance, augmentant leur concentration. Une base (aussi appelee alcali lorsqu'elle se dissout dans l'eau) fait l'inverse : elle capte les ions hydrogene ou libere des ions hydroxyde, de sorte que les ions hydrogene se font rares. Plus il y a d'ions hydrogene, plus la solution est acide et plus le pH est bas. Moins il y a d'ions hydrogene, plus la solution est basique et plus le pH est eleve. L'eau neutre se situe au milieu, a un pH de 7.

Le terme lui-meme remonte au debut du vingtieme siecle. Le chimiste danois Soren Sorensen a introduit la notation pH en 1909 alors qu'il travaillait sur la chimie du brassage au laboratoire Carlsberg, ou le controle de l'acidite comptait pour fabriquer une biere homogene. Le « p » est generalement compris comme designant la « puissance » ou les mots de sens similaire en allemand et en francais, et le « H » designe l'hydrogene. Ainsi, pH peut se lire de maniere approximative comme « la puissance de l'hydrogene », un raccourci pour exprimer a quel point ces ions sont concentres.

Pourquoi l'echelle est logarithmique

Voici la partie qui deroute presque tout le monde au depart. Le passage du pH 5 au pH 4 n'est pas un petit pas. C'est un changement d'un facteur dix. L'echelle de pH est logarithmique, ce qui signifie que chaque nombre entier represente un facteur dix dans la concentration en ions hydrogene.

La raison pour laquelle les chimistes ont eu recours aux logarithmes est purement pratique. La concentration en ions hydrogene dans differentes solutions couvre une plage absurde. L'acide de batterie a une concentration en ions hydrogene environ dix millions de fois superieure a celle de l'ammoniaque menager. Ecrire tous ces nombres en entier, pleins de decimales et de zeros, serait un cauchemar. Un logarithme reduit cette immense etendue a l'intervalle accueillant de 0 a 14. Formellement, le pH est le logarithme negatif (en base 10) de la concentration en ions hydrogene, ce qui parait intimidant mais signifie simplement : prenez la concentration, et plus il y a de zeros apres la virgule, plus le nombre de pH est eleve.

Les consequences quotidiennes sont spectaculaires et faciles a sous-estimer. Un pas d'un facteur dix : le jus de citron, autour de pH 2, n'est pas « deux fois » plus acide qu'un soda a pH 3 ; il est environ dix fois plus acide. Un pas d'un facteur cent : l'acide gastrique, proche de pH 1 a 2, est environ cent fois plus acide qu'une tomate, autour de pH 4. C'est pourquoi des changements qui semblent minimes dans le monde naturel ont un poids si important. Lorsque les scientifiques affirment que l'ocean de surface a baisse d'environ 0,1 unite de pH depuis le debut de l'ere industrielle, ce nombre qui semble modeste correspond a une hausse d'environ 30 pour cent de la concentration en ions hydrogene, un changement qui met reellement a rude epreuve les creatures batisseuses de coquilles qui dependent d'une chimie stable de l'eau de mer.

Les acides et les bases tout autour de vous

Une fois que l'on commence a mesurer, on decouvre que le monde est imbibe d'acides et de bases, la plupart inoffensifs et beaucoup d'entre eux delicieux.

Du cote acide, la cuisine est un defile d'acides. Les agrumes doivent leur mordant a l'acide citrique. Le vinaigre est une solution diluee d'acide acetique, qui se situe autour de pH 2 a 3. Le yaourt et le levain tirent leur acidite de l'acide lactique produit par des bacteries. Le cafe est legerement acide, et les boissons gazeuses ordinaires sont etonnamment acides, en partie parce que le dioxyde de carbone dissous sous pression forme de l'acide carbonique. Votre propre estomac est l'environnement acide le plus agressif du corps, brassant un acide chlorhydrique assez puissant pour dissoudre le metal, le tout pour decomposer les aliments et tuer les microbes avales. Une couche protectrice de mucus est la seule chose qui empeche cet acide de digerer l'estomac lui-meme.

Du cote amer et glissant, les bases se rassemblent surtout dans le placard a produits menagers. Le bicarbonate de soude (bicarbonate de sodium) est une base douce, ce qui explique pourquoi il neutralise les eclaboussures d'acide et apaise les indigestions acides. Le savon et de nombreux detergents sont basiques, et cette sensation glissante sur vos doigts vient de la base qui commence a reagir avec les huiles de votre peau. L'ammoniaque menager et les nettoyants pour four grimpent encore plus haut, vers l'extremite fortement alcaline. L'eau de Javel est basique elle aussi. La regle generale dans toute cuisine ou salle de bains merite d'etre retenue : ne melangez jamais au hasard des nettoyants acides et basiques, car les reactions energiques entre eux peuvent liberer des gaz nocifs.

Dans le monde au sens large, la chimie du sol repose sur le pH. Les jardiniers savent que les myrtilles raffolent d'un sol acide tandis que de nombreux legumes preferent quelque chose de plus proche de la neutralite, et le meme massif d'hortensias peut fleurir bleu en terre acide et rose en terre alcaline, la fleur jouant le role d'un indicateur de pH vivant. L'eau de pluie est naturellement legerement acide parce qu'elle absorbe le dioxyde de carbone de l'air. Lorsque la pollution industrielle charge l'atmosphere en composes de soufre et d'azote, cette acidite legere s'intensifie en pluies acides qui ont endommage les forets et les lacs dans certaines parties de l'Europe et de l'Amerique du Nord au vingtieme siecle, avant que les controles des emissions n'attenuent le probleme.

Mesurer le pH : du chou aux sondes

La maniere la plus simple de lire le pH est d'utiliser un indicateur, une substance qui change de couleur selon l'acidite environnante. Le plus celebre est le tournesol, un colorant extrait de lichens, qui vire au rouge dans un acide et au bleu dans une base. Vous pouvez realiser la meme experience chez vous avec du chou rouge. Faites bouillir du chou rouge coupe, filtrez l'eau d'un violet profond, et vous obtenez un indicateur etonnamment sensible : il vire au rose ou au rouge dans un acide, reste violet pres de la neutralite, et evolue vers le vert puis le jaune a mesure que les conditions deviennent plus fortement basiques. Ajoutez-y un peu de vinaigre et une solution de bicarbonate de soude, et le spectacle des couleurs rend soudain l'echelle abstraite visible.

Pour un travail plus precis, les chimistes utilisent l'indicateur universel, un melange de plusieurs colorants qui produit un arc-en-ciel continu sur toute la plage, ainsi que des bandes de papier pH enduites de ce melange. Comparez la couleur a une echelle imprimee et vous pouvez estimer le pH a une unite pres environ. Lorsqu'une reelle precision est requise, dans un laboratoire, une station d'epuration ou une cave a vin, l'outil de predilection est le pH-metre, une sonde electronique qui mesure la minuscule difference de tension creee par les ions hydrogene et indique un nombre a deux decimales pres. Ces appareils ont rendu possible le suivi et le controle de l'acidite dans tout, des produits pharmaceutiques aux piscines.

Pourquoi le pH compte pour la vie

Les etres vivants sont d'une exigence extreme vis-a-vis du pH, et la raison tient aux proteines. Les enzymes, ces machines moleculaires qui pilotent presque chaque reaction chimique du corps, sont repliees en formes precises maintenues par de delicates attractions chimiques. Modifiez l'acidite environnante et ces attractions se deplacent, la proteine se deforme, et l'enzyme cesse de fonctionner. La plupart des enzymes du corps humain operent dans une etroite zone de confort, ce qui explique pourquoi le corps protege si soigneusement sa chimie interne.

Le sang humain est maintenu remarquablement stable a un pH legerement basique, normalement entre environ 7,35 et 7,45. S'il s'ecarte beaucoup de cette plage, les consequences sont graves, affectant la facon dont l'oxygene se lie aux globules rouges et dont les nerfs et les muscles se declenchent. Le corps defend cette plage grace a des tampons, des melanges chimiques qui resistent aux variations de pH en absorbant ou en liberant des ions hydrogene selon les besoins. Le principal tampon sanguin est un partenariat entre l'acide carbonique et le bicarbonate, et il travaille de concert avec les poumons, qui ajustent la quantite de dioxyde de carbone que vous expirez, et les reins, qui affinent l'equilibre acide sur des heures et des jours. C'est un acte de comptabilite chimique discret et continu qui vous maintient en vie.

La meme logique s'etend bien au-dela du corps humain. Les enzymes de votre estomac ont besoin d'un foyer acide, tandis que celles de votre intestin grele ont besoin d'un milieu legerement basique, ce qui explique pourquoi la bile et le suc pancreatique neutralisent l'acide gastrique a mesure que les aliments progressent. Dans les oceans, l'acidification progressive provoquee par le dioxyde de carbone absorbe menace les coraux, les huitres et le minuscule plancton a la base du reseau alimentaire marin, parce qu'une eau plus acide leur rend plus difficile la fabrication de coquilles et de squelettes en carbonate de calcium. Le pH, en d'autres termes, n'est pas un nombre abstrait de laboratoire. C'est l'un des cadrans maitres dont dependent des ecosystemes entiers.

Points cles a retenir

L'echelle de pH est une facon de compter une minuscule particule, l'ion hydrogene, et de traduire sa abondance ou sa rarete en un seul nombre allant de 0 a 14, ou 7 est neutre, plus bas est acide et plus haut est basique. Parce que l'echelle est logarithmique, chaque pas correspond a un changement d'un facteur dix, de sorte que des variations apparemment minimes ont un enorme poids chimique, un fait qui rend l'acidification des oceans et les pluies acides bien plus lourdes de consequences que leurs modestes valeurs de pH ne le laissent supposer. Les acides et les bases ne sont pas exotiques ; ils remplissent votre cuisine, votre placard a produits menagers, votre jardin et votre propre corps, ou des tampons s'activent en permanence pour maintenir le sang dans une plage extremement etroite qui garde vos enzymes, et donc vous-meme, en etat de marche. Apprenez a lire l'echelle, et l'acidite mordante d'un citron comme l'amertume glissante d'un savon cessent d'etre de simples sensations pour devenir une fenetre sur la chimie qui fait tourner discretement le monde vivant.