Biologie pour les majors I

Le pH d’une solution indique son acidité ou son alcalinité.

\text{H}_2\text{O}\left(\text{I}\right)\longleftrightarrow\text{H}^{+}\left(aq\right)+\text{OH}^{-}\left(aq\right)

Le papier tournesol ou papier pH est un papier filtre qui a été traité avec un colorant naturel soluble dans l’eau pour pouvoir être utilisé comme indicateur de pH, pour tester la quantité d’acide (acidité) ou de base (alcalinité) présente dans une solution. Vous en avez peut-être même utilisé pour vérifier si l’eau d’une piscine est correctement traitée. Dans les deux cas, le test de pH mesure la concentration d’ions hydrogène dans une solution donnée.

Les ions hydrogène sont générés spontanément dans l’eau pure par la dissociation (ionisation) d’un petit pourcentage de molécules d’eau en un nombre égal d’ions hydrogène (H+) et d’ions hydroxyde (OH-). Alors que les ions hydroxyde sont maintenus en solution par leur liaison hydrogène avec d’autres molécules d’eau, les ions hydrogène, constitués de protons nus, sont immédiatement attirés par les molécules d’eau non ionisées, formant des ions hydronium (H3O+). Pourtant, par convention, les scientifiques font référence aux ions hydrogène et à leur concentration comme s’ils étaient libres dans cet état dans l’eau liquide.

La concentration des ions hydrogène qui se dissocient de l’eau pure est de 1 × 10-7 moles d’ions H+ par litre d’eau. Les moles (mol) sont une façon d’exprimer la quantité d’une substance (qui peut être des atomes, des molécules, des ions, etc), une mole étant égale à 6,02 x 1023 particules de la substance. Par conséquent, une mole d’eau est égale à 6,02 x 1023 molécules d’eau. Le pH est calculé comme la valeur négative du logarithme en base 10 de cette concentration. Le log10 de 1 × 10-7 est de -7,0, et la négative de ce nombre (indiquée par le « p » de « pH ») donne un pH de 7,0, que l’on appelle également pH neutre. Le pH à l’intérieur des cellules humaines et du sang sont des exemples de deux zones du corps où un pH presque neutre est maintenu.

Les lectures de pH non neutres résultent de la dissolution d’acides ou de bases dans l’eau. En utilisant le logarithme négatif pour générer des nombres entiers positifs, des concentrations élevées d’ions hydrogène donnent un nombre de pH faible, tandis que de faibles niveaux d’ions hydrogène donnent un pH élevé. Un acide est une substance qui augmente la concentration d’ions hydrogène (H+) dans une solution, généralement par la dissociation d’un de ses atomes d’hydrogène. Une base fournit des ions hydroxyde (OH-) ou d’autres ions chargés négativement qui se combinent aux ions hydrogène, réduisant leur concentration dans la solution et augmentant ainsi le pH. Dans les cas où la base libère des ions hydroxyde, ces ions se lient aux ions hydrogène libres, générant de nouvelles molécules d’eau.

Figure 1. L’échelle de pH mesure la concentration d’ions hydrogène (H+) dans une solution.

Plus l’acide est fort, plus il donne facilement du H+. Par exemple, l’acide chlorhydrique (HCl) se dissocie complètement en ions hydrogène et chlorure et est très acide, alors que les acides présents dans le jus de tomate ou le vinaigre ne se dissocient pas complètement et sont considérés comme des acides faibles.

A l’inverse, les bases fortes sont les substances qui donnent facilement des OH- ou absorbent des ions hydrogène. L’hydroxyde de sodium (NaOH) et de nombreux nettoyants ménagers sont très alcalins et cèdent rapidement des OH- lorsqu’ils sont placés dans l’eau, ce qui augmente le pH. Un exemple de solution faiblement basique est l’eau de mer, qui a un pH proche de 8,0, suffisamment proche du pH neutre pour que les organismes marins adaptés à cet environnement salin puissent s’y développer.

L’échelle de pH est, comme mentionné précédemment, un logarithme inverse et va de 0 à 14 (figure 1). Tout ce qui est inférieur à 7,0 (allant de 0,0 à 6,9) est acide, et tout ce qui est supérieur à 7,0 (de 7,1 à 14,0) est alcalin. Les extrêmes de pH dans les deux directions à partir de 7,0 sont généralement considérés comme inhospitaliers pour la vie. Le pH à l’intérieur des cellules (6,8) et le pH dans le sang (7,4) sont tous deux très proches de la neutralité.

Cependant, l’environnement de l’estomac est très acide, avec un pH de 1 à 2. Alors comment les cellules de l’estomac survivent-elles dans un environnement aussi acide ? Comment maintiennent-elles de façon homéostatique le pH presque neutre en leur sein ? La réponse est qu’elles ne peuvent pas le faire et qu’elles meurent constamment. De nouvelles cellules de l’estomac sont constamment produites pour remplacer les cellules mortes, qui sont digérées par les acides de l’estomac. On estime que la paroi de l’estomac humain est entièrement remplacée tous les sept à dix jours.

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