Comment fonctionne un pH mètre ?
Si vous utilisez du papier de tournesol, rien de tout cela n’a d’importance. L’idée de baseest que le papier prend une couleur légèrement différente dans les solutions entre pH 1 et 14 et, en comparant votre papier à un tableau de couleurs,vous pouvez simplement lire l’acidité ou l’alcalinité sans vous soucier du nombre d’ions hydrogène présents. Mais un pH-mètre doit en quelque sorte mesurer la concentration d’ions hydrogène. Comment le fait-il ?
Une solution acide contient beaucoup plus d’ions hydrogène chargés positivement qu’une solution alcaline, elle a donc un plus grand potentiel pour produire un courant électrique dans une certaine situation – en d’autres termes, c’est un peu comme une batterie qui peut produire une plus grande tension. Un pHmètre en tire parti et fonctionne comme un voltmètre : il mesure la tension (potentiel électrique) produite par la solution dont l’acidité nous intéresse, la compare à la tension d’une solution connue et utilise la différence de tension (la « différence de potentiel ») entre elles pour déduire la différence de pH.
De quoi est-il fait ?
Un pH-mètre typique a deux composants de base : le compteur lui-même, qui peut être un compteur à bobine mobile (un compteur avec une aiguille qui se déplace par rapport à une échelle) ou un compteur numérique (un compteur avec un affichage numérique), et une ou deux sondes que vous insérez dans la solution que vous testez. Pour faire circuler l’électricité dans quelque chose, il faut créer un circuit électrique complet ; ainsi, pour faire circuler l’électricité dans la solution à tester, il faut y placer deux électrodes (bornes électriques).Si votre pH-mètre possède deux sondes (comme celle de la photo en haut de cet article), chacune est une électrode distincte ; si vous n’avez qu’une seule sonde, les deux électrodes sont intégrées à l’intérieur pour plus de simplicité et de commodité.
Les électrodes ne sont pas comme les électrodes normales (de simples morceaux de fil métallique) ; chacune est un mini ensemble chimique à part entière. L’électrode qui fait le travail le plus important, appelée électrode de verre, comporte un fil électrique à base d’argent suspendu dans une solution de chlorure de potassium, contenue à l’intérieur d’une fine ampoule (ou membrane) faite d’un verre spécial contenant des sels métalliques (généralement des composés de sodium et de calcium). L’autre électrode est appelée électrode de référence et comporte un fil électrique à base de chlorure de potassiumuspendu dans une solution de chlorure de potassium.
Artwork : Les pièces clés d’un pH-mètre : (1) Solution testée ; (2) Electrode en verre, constituée (3) d’une fine couche de verre de silice contenant des sels métalliques, à l’intérieur de laquelle se trouve une solution de chlorure de potassium (4) et une électrode interne (5) en argent/chlorure d’argent. (6) Les ions hydrogène formés dans la solution d’essai interagissent avec la surface extérieure du verre. (7) Les ions hydrogène formés dans la solution de chlorure de potassium interagissent avec la surface intérieure du verre. (8) L’appareil mesure la différence de tension entre les deux faces du verre et convertit cette « différence de potentiel » en une mesure du pH. (9) L’électrode de référence sert de ligne de base ou de référence pour la mesure – ou vous pouvez penser qu’elle complète simplement le circuit.
Comment cela fonctionne-t-il ?
Le chlorure de potassium à l’intérieur de l’électrode en verre (représenté ici coloré en orange) est une solution neutre avec un pH de 7, il contient donc une certaine quantité d’ions hydrogène (H+). Supposons que la solution inconnue que vous testez (bleue) est beaucoup plus acide, elle contient donc beaucoup plus d’ions hydrogène.Ce que fait l’électrode de verre, c’est mesurer la différence de pH entre la solution orangeet la solution bleue en mesurant la différence des tensions que leurs ions hydrogène produisent.Puisque nous connaissons le pH de la solution orange (7), nous pouvons déterminer le pH de la solution bleue.
Animation : L’échange d’ions en action.
Comment cela fonctionne-t-il ? Lorsque vous plongez les deux électrodes dans la solution d’essai bleue, certains des ions hydrogène se déplacent vers la surface extérieure de l’électrode de verre et remplacent certains des ions métalliques à l’intérieur, tandis que certains des ions métalliques se déplacent de l’électrode de verre vers la solution bleue. Ce processus d’échange d’ions est appelé échange d’ions, et c’est la clé du fonctionnement d’une électrode en verre. L’échange d’ions a également lieu sur la surface intérieure de l’électrode en verre à partir de la solution orange.Les deux solutions de chaque côté du verre ont une acidité différente, de sorte qu’une quantité différente d’échange d’ions a lieu sur les deux côtés du verre.Cela crée un degré différent d’activité des ions hydrogène sur les deux surfaces du verre, ce qui signifie qu’une quantité différente de charge électrique s’y accumule.Cette différence de charge signifie qu’une tension minuscule (parfois appelée différence de potentiel, typiquement quelques dizaines ou centaines de millivolts) apparaît entre les deux faces du verre, ce quiproduit une différence de tension entre l’électrode d’argent (5)et l’électrode de référence (8) qui apparaît comme une mesure sur le compteur.
Bien que le compteur mesure la tension, ce que l’aiguille sur l’échelle (ou l’affichage numérique) nous montre en fait est une mesure de pH.Plus la différence de tension entre les solutions orange (à l’intérieur) et bleue (à l’extérieur) est grande, plus la différence d’activité des ions hydrogène entre.S’il y a plus d’activité d’ions hydrogène dans la solution bleue, elle est plus acide que la solution orange et l’appareil de mesure l’indique comme un pH plus faible ; de la même manière, s’il y a moins d’activité d’ions hydrogène dans la solution bleue, l’appareil de mesure l’indique comme un pH plus élevé (plus alcalin).
Réaliser des mesures précises du pH
Pour que les pH-mètres soient précis, ils doivent être correctement étalonnés(le compteur traduit avec précision les mesures de tension en mesures de pH), ils doivent donc généralement être testés et ajustés avant que vous commenciez à les utiliser. Pour étalonner un pH-mètre, il suffit de le plonger dans des tampons (solutions d’essai de pH connu) et de régler l’appareil en conséquence.Une autre considération importante est que les mesures de pH effectuées de cette manière dépendent de la température. Certains pH-mètres sont équipés d’un thermomètre intégré et corrigent automatiquement leurs propres mesures de pH en fonction des variations de température ; ces appareils sont les meilleurs si des fluctuations de température sont susceptibles de se produire pendant que vous effectuez un certain nombre de mesures différentes. Vous pouvez également corriger vous-même les mesures de pH ou en tenir compte en étalonnant votre appareil et en effectuant des mesures de pH à peu près à la même température.