Le pH, les acides et les bases

Tu as sûrement déjà entendu parler du pH : celui d'un savon, d'une piscine, d'un sol agricole ou du jus de citron. Dans une cellule, le pH compte encore plus, parce que la charge des protéines et la vitesse des réactions en dépendent. Que mesure vraiment le pH, comment le calculer, et pourquoi parle-t-on d'acides forts et d'acides faibles ? Tu sauras y répondre à la fin de la leçon. Tu vas aussi rencontrer le pKa, un nombre qui va te suivre pendant tout le parcours, surtout quand on parlera des acides aminés. Prépare une calculatrice avec la touche log.

Même pure, l'eau n'est pas faite seulement de molécules H₂O. De temps en temps, une molécule cède un proton à sa voisine. On obtient alors un ion hydronium, H₃O⁺, et un ion hydroxyde, OH⁻. C'est très rare : à 25 degrés, le produit des deux concentrations vaut 10 puissance moins 14. On l'appelle le produit ionique de l'eau. Dans l'eau pure, les deux ions sont en quantités égales, donc chacun est à 10 puissance moins 7 mole par litre. Retiens ce chiffre, c'est lui qui donne le pH neutre de 7. Pour simplifier, on écrit souvent H⁺ à la place de H₃O⁺.

Le pH est le logarithme décimal de la concentration en ions H₃O⁺, précédé d'un signe moins. Le signe moins sert à obtenir des nombres positifs et pratiques. Dans l'eau pure, la concentration vaut 10 puissance moins 7, donc le pH vaut 7 : c'est la neutralité. Si une solution contient plus d'ions H₃O⁺, son pH descend sous 7, elle est acide. S'il y en a moins, il monte au-dessus de 7, elle est basique. Attention au piège : l'échelle est logarithmique. Une solution à pH 4 contient dix fois plus d'ions H₃O⁺ qu'une solution à pH 5, et cent fois plus qu'une solution à pH 6.

Range quelques milieux du plus acide au plus basique. Le jus de citron vert qu'on verse sur le poisson braisé a un pH d'environ 2 à 2,4. Dans une même cellule, deux compartiments voisins n'ont pas le même pH : le lysosome, le petit sac où la cellule digère ses déchets, est maintenu entre 4,5 et 5,5 environ, alors que le cytosol qui l'entoure reste un peu au-dessus de la neutralité. Le sang artériel d'un adulte se tient dans une fourchette étroite, autour de 7,4. L'eau de mer de surface est vers 8,1, un dixième de moins qu'avant l'ère industrielle, parce que l'océan absorbe du dioxyde de carbone. Ces chiffres servent à comprendre, pas à interpréter une analyse médicale, qui reste le travail des laboratoires et des médecins. L'idée à garder : chaque compartiment du vivant a son pH, et ce pH est tenu.

Fais un calcul avec moi. Une solution contient 2 fois 10 puissance moins 4 mole par litre d'ions H₃O⁺. Tape sur ta calculatrice : moins log de 2 fois 10 puissance moins 4. Tu obtiens environ 3,7. La solution est donc acide. Fais maintenant l'inverse : un jus a un pH de 3. Sa concentration en H₃O⁺ vaut 10 puissance moins 3, soit un millième de mole par litre. Une astuce pour te vérifier : si la concentration est entre 10 puissance moins 4 et 10 puissance moins 3, le pH doit être entre 3 et 4. Si ta calculatrice affiche 6, tu as oublié un signe moins quelque part.

Un acide est une molécule capable de céder un proton, une base une molécule capable d'en capter un. Dans l'eau, l'acide chlorhydrique, celui que fabrique ton estomac, cède le sien presque à chaque fois : c'est un acide fort. L'acide lactique, qui donne son goût acidulé au lait caillé et au yaourt, n'en cède qu'une petite partie : la plupart de ses molécules restent entières. C'est un acide faible. On a alors un équilibre entre la forme acide, notée HA, et la forme qui a perdu son proton, la base conjuguée, notée A moins. Pour l'acide lactique, cette base conjuguée s'appelle l'ion lactate. Dans le vivant, presque tous les groupes sensibles au pH sont des acides faibles : les groupes carboxyle, amine et phosphate.

Pour comparer les acides faibles, on utilise une constante, Ka. Comme pour le pH, on préfère son logarithme précédé d'un signe moins : le pKa. La règle est simple : plus le pKa est petit, plus l'acide cède facilement son proton, donc plus il est fort. L'acide lactique du lait caillé a un pKa de 3,86 ; l'acide acétique du vinaigre, de 4,76 : l'acide lactique est donc un peu plus fort. Le couple phosphate qui compte dans la cellule a un pKa vers 7,2. Le groupe amine d'un acide aminé a un pKa vers 9 ou 10. Tu verras dans la prochaine leçon qu'un pKa a un sens très concret : c'est le pH auquel la moitié des molécules ont cédé leur proton.

Le pH mesure la concentration en ions H₃O⁺ sur une échelle logarithmique : une unité de pH, c'est un facteur dix. Le pH 7 est neutre à 25 degrés, en dessous c'est acide, au-dessus c'est basique. Un acide faible ne cède qu'une partie de ses protons, et il existe en équilibre avec sa base conjuguée. Son pKa dit à quel point il est fort : plus le pKa est petit, plus l'acide est fort. Avec ces outils, tu es prêt pour la leçon suivante, où tu vas voir comment une cellule, le sang ou un tube de laboratoire garde un pH presque constant grâce aux tampons.