Échelle de pH : plan de leçon avec simulation interactive

Ce plan de leçon sur l'échelle de pH utilise une simulation interactive gratuite pour s'attaquer aux deux idées que les élèves trouvent les plus difficiles sur le pH : chaque cran de l'échelle signifie dix fois plus ou dix fois moins de H₃O⁺, et ajouter de l'eau rapproche une solution de 7 sans jamais la faire passer au-delà. Les élèves mesurent des liquides du quotidien, les diluent, lisent les concentrations en ions en échelle logarithmique et règlent le pH à la main. Vous obtenez des objectifs d'apprentissage, la préparation, des prédictions, une activité pas à pas avec les valeurs que les élèves doivent voir, une série de cinq questions pour le lien de la classe, un prolongement sur les acides forts et faibles, et des idées de différenciation. Chaque valeur provient du modèle de la simulation elle-même.

La leçon en un coup d'œil

• Niveau : de la 5e à la 2de (12 à 16 ans), avec un prolongement pour la 1re et la terminale.
• Durée : une séance de 50 à 60 minutes, plus un prolongement facultatif de 20 minutes.
• Prérequis : les acides et les bases dans la vie quotidienne, les indicateurs colorés, les puissances de dix.
• Format : en binômes sur ordinateurs portables, tablettes ou téléphones, ou classe entière avec un seul vidéoprojecteur.
• Simulation : Échelle de pH – mesurer et mélanger acides et bases. Prolongement : Dilution des acides et des bases.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de la leçon, les élèves savent :

1. Classer des solutions en acides, neutres ou basiques d'après leur pH.
2. Expliquer qu'une variation d'une unité de pH correspond à une variation de [H₃O⁺] d'un facteur dix.
3. Prédire comment l'ajout d'eau ou le fait d'en verser une partie modifie le pH.
4. Lire [H₃O⁺] et [OH⁻] à partir du pH et montrer que leur produit reste égal à 10⁻¹⁴.
5. (Prolongement) Comparer la réaction des acides forts et faibles à la dilution.

Ce que fait la simulation

La simulation comporte trois écrans :

• Macro : choisissez l'un des 12 liquides, de l'acide de batterie (pH 1,0) au déboucheur (pH 13,0). Le bécher est vide au départ. Maintenez Maintenir : + solution ou Maintenir : + eau pour verser, à 0,1 L par seconde, jusqu'à 1,2 L. Maintenir : vider fait sortir de la solution. Faites glisser la sonde dans le liquide pour lire « Volume dans le bécher : … L · pH = … » avec deux décimales.
• Micro : le même bécher, avec en plus un diagramme en barres des concentrations de H₃O⁺, OH⁻ et H₂O en mol/L, en échelle logarithmique ou linéaire. L'affichage donne les concentrations, par exemple 1,0 × 10⁻⁵ mol/L.
• Personnalisé : 0,5 L d'eau dont vous réglez directement le pH avec les boutons ▲ et ▼ (± 0,01 de pH), ou en faisant glisser les colonnes H₃O⁺ et OH⁻.

Trois détails du modèle méritent d'être connus :

• La liste déroulante indique le pH de chaque liquide. Mesurer un liquide non dilué ne fait que confirmer l'étiquette : gardez cette partie courte et consacrez le temps à la dilution.
• L'eau apporte ses propres ions. L'eau ajoutée contient 10⁻⁷ mol/L de H₃O⁺ et de OH⁻. Loin de pH 7, cela n'a pas d'importance. Près de 7, si, et les élèves le verront.
• Chaque liquide a un pH de départ fixe et aucun effet tampon. Le vrai lait ou le vrai sang résistent aux variations de pH ; dans la simulation, ils se diluent comme n'importe quelle autre solution. C'est une bonne question du type « qu'est-ce que le modèle laisse de côté ? ».

Matériel et préparation avant la classe

Matériel : un appareil par binôme (ou un vidéoprojecteur), les tableaux ci-dessous sur papier, et une calculatrice.

Préparation (10 minutes, une seule fois) :

1. Ouvrez la simulation sur l'écran Macro avec le café sélectionné. Ce sont les réglages par défaut.
2. Cliquez sur Partager et créez un lien pour chaque classe, par exemple « Chimie · 3e B ». Le lien fixe ces valeurs de départ.
3. Facultatif : dans l'onglet Questions, saisissez la série de questions ci-dessous et associez-la au lien.
4. Publiez le lien, ou ouvrez-le en mode présentation et montrez le QR code.

Déroulé de la leçon

1. Accroche et prédictions (7 minutes)

Demandez : « Le jus d'orange a un pH de 3,5 et le café un pH de 5,0. De combien le jus est-il plus acide ? » La plupart des élèves pensent qu'un pH plus bas veut dire « un peu plus acide ». Faites-leur ensuite s'engager sur deux prédictions, sur papier ou sur le lien :

• P1. « Vous ajoutez de l'eau à une tasse de café (pH 5,0). Le pH va… passer sous 5 / rester à 5,0 / monter vers 7 / dépasser 7. »
• P2. « Vous versez la moitié du jus d'orange. Le pH… augmente / reste le même / diminue / est divisé par deux. »

Attendez-vous à quelques « dépasser 7 » pour P1 et à beaucoup de « est divisé par deux » ou « augmente » pour P2. Ne corrigez encore personne.

2. Classer les liquides (6 minutes)

Les binômes versent tour à tour environ 0,3 L de cinq liquides, plongent la sonde et les classent sur une droite graduée de 0 à 14 : acide de batterie 1,00, jus d'orange 3,50, café 5,00, eau 7,00, savon liquide 10,00. L'affichage correspond exactement à l'étiquette, puisque rien n'a encore été dilué. Demandez : « Où placeriez-vous le sang (7,40) et le lait (6,50) ? »

3. Dilution : recueillir des mesures (15 minutes)

Pour chaque liquide, les binômes appuient sur Réinitialiser, maintiennent Maintenir : + solution environ une seconde et notent le volume (environ 0,10 L). Ils maintiennent ensuite Maintenir : + eau jusqu'à ce que le volume soit dix fois plus grand (environ 1,00 L) et lisent le pH. S'ils dépassent le volume de solution, ils visent simplement dix fois ce qu'ils ont obtenu. La dernière colonne est pour vous ; laissez-la vide sur la copie des élèves.

Liquide	pH avant	pH après dilution ×10	pH attendu après
Acide de batterie	1,00		2,00
Jus d'orange	3,50		4,50
Café	5,00		5,96
Lait	6,50		6,91
Salive	7,40		7,06
Savon liquide	10,00		9,00
Déboucheur	13,00		12,00

Demandez aux binômes deux régularités. Bonnes réponses : « Les acides et les bases forts bougent d'exactement une unité » et « Les liquides proches de 7 bougent de moins d'une unité, toujours vers 7. »

Pourquoi 5,96 et non 6,00 pour le café ? Dix fois moins de H₃O⁺ venant du café donne 1,0 × 10⁻⁶ mol/L, mais l'eau en apporte un peu elle-même. Le total est de 1,1 × 10⁻⁶ mol/L, donc le pH vaut 5,96. Vérifiez P1 maintenant.

Faites ensuite deux tests rapides :

• Même volume d'eau (dilution ×2) : l'acide de batterie passe de 1,00 à 1,30 et le café de 5,00 à 5,30. Doubler le volume augmente le pH de 0,30, soit log 2, et non 0,5.
• Maintenir : vider : le volume diminue, le pH ne bouge pas. Le pH mesure une concentration, pas une quantité. Vérifiez P2.

4. Micro : ce que signifie une unité de pH (10 minutes)

Passez sur Micro. Les binômes remplissent le bécher avec chaque liquide et recopient l'affichage :

Liquide	pH	[H₃O⁺] (mol/L)	[OH⁻] (mol/L)
Acide de batterie	1,00	1,0 × 10⁻¹	1,0 × 10⁻¹³
Jus d'orange	3,50	3,2 × 10⁻⁴	3,2 × 10⁻¹¹
Café	5,00	1,0 × 10⁻⁵	1,0 × 10⁻⁹
Eau	7,00	1,0 × 10⁻⁷	1,0 × 10⁻⁷
Sang	7,40	4,0 × 10⁻⁸	2,5 × 10⁻⁷
Savon liquide	10,00	1,0 × 10⁻¹⁰	1,0 × 10⁻⁴
Déboucheur	13,00	1,0 × 10⁻¹³	1,0 × 10⁻¹

Questions à poser :

• « Combien de fois plus de H₃O⁺ le jus d'orange a-t-il que le café ? » 3,2 × 10⁻⁴ ÷ 1,0 × 10⁻⁵ = 32. Une différence de 1,5 unité de pH correspond à environ 32 fois, pas à 1,5 fois.
• « L'acide de batterie par rapport à l'eau pure ? » 10⁻¹ ÷ 10⁻⁷ = 1 000 000 de fois.
• « Multipliez [H₃O⁺] par [OH⁻] dans n'importe quelle ligne. Que trouvez-vous ? » Toujours 10⁻¹⁴.

Décochez ensuite Échelle logarithmique. En échelle linéaire, la plupart des barres H₃O⁺ et OH⁻ s'écrasent à rien à côté des 55,5 mol/L de l'eau. C'est pourquoi les chimistes utilisent une échelle logarithmique.

5. Personnalisé : régler le pH soi-même (5 minutes)

Sur Personnalisé, les élèves font glisser la colonne H₃O⁺ ou appuient sur les flèches pour atteindre des cibles : « Faites en sorte que [H₃O⁺] = 1,0 × 10⁻³ mol/L » (pH 3,00) et « Faites en sorte que [OH⁻] = 1,0 × 10⁻² mol/L » (pH 12,00). Les élèves rapides trouvent le pH où les deux concentrations sont égales (7,00).

6. Vérification de sortie (5 minutes)

Utilisez les questions 3 à 5 de la série ci-dessous. Ouvrez ensuite Voir les réponses et montrez côte à côte les colonnes Prédiction et Après pour P1 et P2.

Série de questions pour cette leçon

Saisissez-les dans l'onglet Questions de la simulation. Consignes pour les élèves suggérées : « Utilisez les écrans Macro et Micro. Appuyez sur Réinitialiser avant chaque nouveau liquide. Plongez la sonde dans le liquide pour lire le pH. »

1. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation

• Question : « Vous ajoutez de l'eau à une tasse de café (pH 5,0). Le pH va… »
• Options : passer sous 5 / rester à 5,0 / monter vers 7 (correct) / dépasser 7
• Explication : « L'eau dilue les ions H₃O⁺, donc leur concentration diminue et le pH augmente. Il se rapproche de 7 sans jamais le dépasser, parce que l'eau est elle-même neutre. Un volume dix fois plus grand donne 5,96 et non 6,00, parce que l'eau apporte un peu de H₃O⁺ elle-même. »

2. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation

• Question : « Vous versez la moitié du jus d'orange. Le pH… »
• Options : augmente / reste le même (correct) / diminue / est divisé par deux
• Explication : « Le pH dépend de la concentration de H₃O⁺, pas de la quantité de liquide. En en versant une partie, on retire du H₃O⁺ et de l'eau dans la même proportion, donc la concentration et le pH restent les mêmes. »

3. Nombre · Après la simulation

• Question : « Versez de l'acide de batterie (pH 1,0) dans le bécher. Ajoutez de l'eau jusqu'à ce que le volume soit 10 fois plus grand. Quel pH la sonde indique-t-elle ? »
• Réponse : 2,00, marge d'erreur ± 0,05
• Explication : « Un volume dix fois plus grand signifie dix fois moins de H₃O⁺ : de 10⁻¹ à 10⁻² mol/L. Une dilution d'un facteur dix augmente le pH d'un acide fort d'exactement une unité, de 1,00 à 2,00. »

4. Nombre · Après la simulation

• Question : « Utilisez l'écran Micro. Combien de fois [H₃O⁺] est-il plus grand dans le jus d'orange (pH 3,5) que dans le café (pH 5,0) ? »
• Réponse : 32, marge d'erreur ± 2
• Explication : « Le jus d'orange a 3,2 × 10⁻⁴ mol/L et le café 1,0 × 10⁻⁵ mol/L, donc le rapport est de 32. Chaque unité de pH correspond à un facteur 10, donc 1,5 unité vaut 10^1,5 ≈ 32. »

5. Réponse courte · Après la simulation

• Question : « Expliquez pourquoi ajouter de l'eau à un acide ne peut jamais faire passer son pH au-dessus de 7. »
• Réponses acceptées (facultatif) : laissez vide et lisez les réponses vous-même.
• Réponse modèle : « L'eau est neutre, avec 10⁻⁷ mol/L de H₃O⁺. En l'ajoutant, la concentration de H₃O⁺ de l'acide baisse vers cette valeur sans jamais passer en dessous, donc le pH se rapproche de plus en plus de 7 sans le dépasser. »

Les questions 1 et 2 sont les prédictions, reposées après la simulation. Le guide de l'évaluation formative montre comment comparer les résultats entre classes.

Prolongement : acides forts et faibles

Pour la 2de, la 1re et la terminale ou une seconde séance, ouvrez la simulation de dilution. Les élèves choisissent un soluté et une concentration initiale, puis appuient sur Diluer une fois ou Lancer (dilutions en série). Un tableau consigne le pH après chaque étape, et un graphique trace le pH en fonction du facteur de dilution en échelle logarithmique.

Partez de 0,1 M avec des étapes de facteur 10 :

Dilution	1	×10	×100	×1 000	×10⁴	×10⁵	×10⁶	×10⁷
HCl	1,00	2,00	3,00	4,00	5,00	6,00	6,79	6,98
CH₃COOH	2,88	3,39	3,91	4,47	5,15	6,02	6,79	6,98

Questions à poser :

• « À 0,1 M, pourquoi le pH de l'acide éthanoïque vaut-il 2,88 et non 1,00 ? » Seulement environ 1,3 % des molécules s'ionisent, donc HCl a environ 76 fois plus de H⁺.
• « Pourquoi une dilution d'un facteur 10 n'augmente-t-elle le pH de l'acide éthanoïque que d'environ 0,5 ? » La dilution déplace l'équilibre : la part ionisée passe d'environ 1,3 % à environ 4,1 %, ce qui remplace en partie le H⁺ retiré.
• « Que se passe-t-il après ×10⁶ ? » Les deux courbes s'infléchissent vers 7 sans jamais le franchir. Cochez Courbes des 4 pour montrer que NaOH et l'ammoniac s'approchent de 7 par le haut.

Différenciation

Soutien :

• N'utilisez que l'acide de batterie, le café et le déboucheur dans le tableau de dilution.
• Donnez les volumes tout faits : « 0,10 L de solution, puis de l'eau jusqu'à 1,00 L. »
• Donnez des amorces de phrases : « Quand j'ai ajouté de l'eau, le pH s'est rapproché de… »
• Utilisez d'abord l'écran Personnalisé, pour que les élèves relient le pH et la couleur avant tout calcul.

Approfondissement :

• Prédire le pH du café dilué 120 fois (0,01 L complété à 1,20 L) avant de le tester. La simulation indique 6,74, et non 7,08.
• Calculer le pH du café dilué à partir de 1,0 × 10⁻⁶ + 0,9 × 10⁻⁷ mol/L avant de le lire.
• Expliquer pourquoi le sang se comporterait différemment dans un vrai laboratoire (solutions tampons).

Élèves allophones : la simulation est disponible en six langues. Créez un second lien dans la langue de l'élève pour que les libellés lui soient familiers pendant que la discussion reste en français.

Lien avec les référentiels

Cette leçon s'inscrit dans les unités sur les acides et les bases de la chimie du collège et du lycée, comme le thème des acides et des alcalis du GCSE Chemistry (Royaume-Uni) ou un cours de chimie d'initiation au lycée. Les NGSS (normes américaines) n'ont pas d'attente de performance dédiée au pH, donc nous n'en revendiquons aucune. La leçon mobilise en revanche trois pratiques des NGSS : développer et utiliser des modèles, analyser et interpréter des données, et utiliser les mathématiques et la pensée computationnelle.

Pour d'autres activités de chimie, consultez des idées de leçons de chimie interactives. Pour les routines de classe comme les démonstrations au vidéoprojecteur et le travail en binôme, consultez comment utiliser des simulations interactives en classe.

Questions fréquentes

Pourquoi le café dilué indique-t-il 5,96 au lieu de 6,00 ?

L'eau que vous ajoutez contient 10⁻⁷ mol/L de H₃O⁺. À côté des 10⁻⁶ mol/L du café après dilution, ce petit supplément abaisse un peu le pH. Pour un acide fort comme l'acide de batterie, il est bien trop faible pour se remarquer.

Pourquoi vider ne change-t-il pas le pH ?

Vider retire du soluté et de l'eau dans la même proportion, donc la concentration de H₃O⁺ reste la même. Le pH dépend de la concentration, pas du volume.

Dois-je enseigner les logarithmes d'abord ?

Non. Les élèves n'ont besoin que des puissances de dix. L'écran Micro affiche chaque concentration sous forme de puissance de dix, donc « une unité de pH, c'est un facteur dix » vient des données.

Les élèves peuvent-ils faire cette leçon sur téléphone ?

Oui. Les élèves ouvrent le lien sans compte, et les boutons à maintenir ainsi que la sonde fonctionnent sur les écrans tactiles. Une tablette ou un ordinateur portable facilite la lecture du diagramme en barres de l'écran Micro.