Les lettres pH se dressent à moitié sous l’eau dans un bécher, et la solution au-dessus change de couleur comme un indicateur universel, du rouge au violet en passant par le jaune, le vert et le bleu. Une goutte tombe de la burette, un anneau s’étend à la surface, des bulles montent du fond, l’agitateur tourne, la boule de l’électrode de verre s’allume. L’appareil dans le coin affiche un nombre, et le repère sur la bandelette indicatrice en bas glisse jusqu’à la même case.
Fiche de l'unité
chimie et laboratoire fiche 1/1 · rév. 2026-09Potentiel hydrogène pH
Grandeur hors SI · grandeur : acidité d’une solution, logarithme sans dimension de l’activité des ions hydrogène
Une échelle logarithmique qui n’a pas d’unité
En 1909, le chimiste danois Søren Sørensen étudiait au laboratoire de la brasserie Carlsberg comment les enzymes dépendent de l’acidité du moût, et notait chaque jour des concentrations comme 0,000 000 1 mole par litre. Las de compter les zéros, il proposa d’écrire à la place du nombre seulement l’exposant débarrassé de son signe moins, si bien qu’un dix-millionième devint un simple sept, et depuis l’acidité se mesure par un nombre derrière lequel ne se tient aucune unité.
Cette notation est commode mais traîtresse : un pas d’une unité signifie un facteur dix, de sorte qu’une solution à pH 3 n’est pas d’un tiers plus acide qu’une solution à pH 5, mais cent fois plus, et deux valeurs de pH ne peuvent être ni additionnées ni moyennées. En mélangeant des volumes égaux de solutions à pH 2 et pH 4, on obtient non pas 3 mais 2,30, car ce sont les concentrations qui s’additionnent, et le logarithme se prend de la somme.
La feuille montre comment le pH se comporte pendant un titrage, pourquoi sept n’est neutre qu’à vingt-cinq degrés, et pourquoi la grandeur que mesure chaque aquariophile ne peut toujours pas être mesurée rigoureusement sans une convention sur ce que l’on appelle l’activité d’un seul ion.
S’écrit avec un p minuscule et un H majuscule, toujours dans cet ordre et sans espace : pH, et non PH ni Ph, car la minuscule désigne une opération et la majuscule un élément chimique. Le nombre se place après le symbole, comme pour une température en degrés : pH 7,40, et aucune unité ne s’écrit derrière.
Le pH n’est ni la concentration d’un acide ni sa force : le vinaigre et l’acide chlorhydrique de même concentration donnent pH 2,9 et 1,0, et un tampon peut contenir beaucoup d’acide tout en affichant un nombre presque neutre. À ne pas confondre non plus avec le pKa, qui appartient à l’acide lui-même et ne dépend pas de la quantité versée, alors que le pH appartient à la solution.
01 · Définition
logarithme · activité · neutralitéLe potentiel hydrogène pH est le logarithme décimal changé de signe de l’activité des ions hydrogène dans une solution. L’activité est sans dimension, car on la rapporte à une concentration standard d’une mole par litre, et le logarithme est donc lui aussi sans dimension : le pH ne se mesure dans aucune unité, il s’exprime seulement par un nombre.
Dans les solutions diluées, l’activité coïncide presque avec la concentration, et le pH peut alors se calculer directement en moles par litre, tandis que dans les solutions concentrées et l’eau de mer les ions se gênent mutuellement et l’écart entre concentration et activité atteint des dixièmes d’unité. L’eau elle-même se dissocie un peu en ions hydrogène et hydroxyde, le produit de leurs activités vaut 10⁻¹⁴ à 25 °C, et l’on dit neutre une solution où les uns et les autres sont en quantité égale, soit pH 7.
Le produit ionique de l’eau croît vite avec la température, si bien que le point neutre descend à 6,13 à l’ébullition et monte à 7,47 à zéro degré ; une solution à pH 7 est déjà légèrement basique à 50 °C, bien que le nombre soit resté le même.
Deux gouttes qui recolorent le bécher
À gauche, le titrant coule goutte à goutte d’une burette dans un bécher contenant 25 millilitres de solution ; le liquide est coloré par l’indicateur universel selon son pH du moment, et l’appareil dans le coin affiche le nombre. À droite pousse la courbe de titrage : la partie parcourue est tracée en trait épais de la couleur de l’indicateur, le reste en fin pointillé gris ; le pointillé horizontal marque la neutralité pH 7, le vertical le point d’équivalence, où l’on a ajouté exactement autant de titrant qu’il en faut pour tout l’acide ou toute la base.
Mélanger pH 2 et pH 4 ne donne pas trois
Un litre de solution à pH 2 contient un centième de mole d’ions hydrogène, un litre à pH 4 un dix-millième, de sorte qu’après mélange deux litres en renferment 0,0101 mole, soit 0,00505 par litre, ce qui fait pH 2,30. La solution acide détermine presque entièrement le résultat, la moins acide n’y ajoute qu’une dilution, et c’est pourquoi le pH moyen de plusieurs échantillons, porté dans un rapport comme une simple moyenne, ment toujours sur le plus acide d’entre eux.
02 · Conversion
concentrations · substances · températureDu nombre sur l’appareil aux moles par litre
Saisissez le pH, la concentration en ions hydrogène ou hydroxyde ou le pOH, et la feuille recalcule tout le reste, compare la solution à des substances familières et montre où se situe la neutralité à une autre température. Dans tous les onglets la solution est la même ; seul change ce à quoi on la compare.
Règle à retenir : chaque unité de pH est un facteur dix sur la concentration, chaque 0,3 unité un facteur deux.
La conversion prend l’activité égale à la concentration, ce qui n’est vrai que pour les solutions diluées ; dans l’eau de mer, le sang et les acides forts, la correction du coefficient d’activité déplace la réponse d’un ou deux dixièmes. Les valeurs de pH des substances sont typiques, non normatives : pour le jus de citron, le café et la pluie, l’écart d’un échantillon à l’autre atteint une demi-unité.
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04 · Instruments de mesure
papier · verre · platine · tamponsAvec quoi on attrape l’ion hydrogène
Un arc-en-ciel sur la bandelette
L’indicateur universel est un mélange de plusieurs colorants, chacun changeant de couleur dans son propre intervalle étroit, si bien qu’ensemble ils colorent toute l’échelle du rouge au violet. On trempe la bandelette dans la solution, la solution monte dans le papier, et l’on compare la couleur à l’œil avec l’échelle imprimée ; la précision est d’environ une unité, mais la réponse est prête en une seconde et ne demande aucun appareil.
Le verre qui sent l’acide
Une fine boule d’un verre spécial gonfle en surface, et les ions hydrogène s’échangent avec sa couche hydratée, de sorte qu’une différence de potentiel apparaît entre la solution intérieure et la solution extérieure. À 25 °C elle varie de 59,16 millivolts par unité de pH, et à chaud la pente augmente : c’est pourquoi un pH-mètre digne de ce nom mesure toujours aussi la température.
Le zéro de toute l’électrochimie
Une lame de platine recouverte de noir de platine spongieux est baignée d’hydrogène sous une pression d’un bar, et il s’y établit un équilibre entre le gaz et les ions hydrogène de la solution. Cette électrode est incommode et capricieuse, mais son potentiel obéit sans intermédiaire à la formule de définition elle-même, et c’est avec elle que l’on certifie les tampons primaires qui servent à étalonner toutes les électrodes de verre du monde.
Trois béchers avant chaque mesure
L’électrode de verre vieillit, son zéro et sa pente dérivent ; on vérifie donc l’appareil avant le travail avec des tampons de pH connu, en général 4,01, 7,00 et 10,01 à 25 °C, et l’on reconstruit la droite à partir d’eux. Un appareil sans cet étalonnage affiche un nombre à deux décimales, mais la seconde n’est honnête que tant que l’électrode n’a pas été plongée dans une solution inconnue.
05 · Règles d’écriture
symbole avant le nombre · sans unité · avec températureLe nombre après le symbole, pas d’unité
Le symbole pH se place avant le nombre, comme le nom d’une échelle, et non après comme une unité, et à côté d’une valeur précise on indique la température à laquelle elle a été obtenue.
La première ligne de droite place le symbole après le nombre, comme si le pH était une unité, la deuxième écrit un P majuscule, qui ne signifie rien en chimie, et la troisième attribue à l’exposant des moles par litre, alors que les moles n’habitent que la concentration. La quatrième convertit le logarithme en pourcentage, si bien qu’une baisse de 0,3 paraît modeste alors qu’il y a deux fois moins d’ions hydrogène, la cinquième ajoute des « unités » inexistantes, et la sixième fait la moyenne des logarithmes là où il faudrait faire celle des concentrations.
06 · Unités voisines
concentration · logarithme · quantitéSous le logarithme du pH se trouve une concentration en moles par litre, le logarithme lui-même l’apparente au décibel, qui comprime lui aussi des dizaines d’ordres de grandeur en une courte échelle, et la mole reste la seule unité SI par laquelle le pH est relié au système.
La concentration même dont on prend le logarithme, et celle dans laquelle on compte combien d’acide a été versé.
Lui aussi un logarithme sans dimension, mais d’un rapport de puissances et avec un facteur dix.
Quantité de matière, par laquelle le pH est relié au Système international d’unités.
07 · Section historique
archive · de la brasserie à l’UICPAComment les zéros sont devenus une échelle
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Quatre marches qui ne tiennent pas sur une feuille
La hauteur de chaque barre est la concentration en ions hydrogène à l’échelle ordinaire, non logarithmique, pour pH 1, 2, 3 et 4. Chaque barre est dix fois plus basse que la précédente, et la quatrième est déjà presque invisible ; le cadre les parcourt tour à tour.
Sørensen n’a pas choisi le logarithme pour la beauté, mais parce que sinon les grandeurs avec lesquelles il travaillait n’auraient tenu sur aucun papier : les sept marches de pH 1 à pH 7 étireraient une échelle linéaire dix millions de fois.
Une grandeur qu’on ne peut mesurer sans convention
La définition parle de l’activité d’un seul ion hydrogène, mais la thermodynamique ne sait mesurer que des produits d’activités d’ions de signes opposés, car une solution est toujours électriquement neutre et l’on ne peut en extraire un ion isolé. En toute rigueur, aucun appareil ne mesure donc le pH tel qu’il est défini ; seule est accessible une grandeur où l’ion chlorure entre avec l’hydrogène.
L’écart est comblé par une convention : selon la convention de Bates et Guggenheim, on calcule le coefficient d’activité de l’ion chlorure par une formule simple de la théorie des solutions, après quoi la cellule de Harned, avec une électrode à hydrogène et une électrode argent-chlorure d’argent et sans jonction liquide, fournit les valeurs primaires de pH de quelques tampons de référence. Toutes les autres mesures sur Terre s’appuient sur ces tampons par une chaîne d’étalonnages.
Ainsi, chaque valeur de pH contient, outre la mesure elle-même, une convention, et deux laboratoires s’accordent au centième d’unité non parce qu’ils ont mesuré la même nature, mais parce qu’ils ont adopté la même convention et se sont étalonnés sur les mêmes tampons.