Produit ionique de l'eau

 

1 Autoprotolyse de l’eau

Une mesure de conductivité peut permettre de déterminer la concentration d’une espèce ionique en solution.
Pour de l'eau « pure » une telle mesure montrerait qu'elle contient des ions en quantité très faible.

Les molécules d’eau sont en agitation permanente, donc en interaction permanente. Sous l’effet de ces interactions, certaines molécules d’eau peuvent libérer un proton H⁺ : une liaison O–H d’une molécule d’eau, affaiblie par une liaison hydrogène avec une autre molécule d’eau, se brise, donnant naissance à un ion HO^– et un ion H⁺.
Très réactif à l’état isolé du fait de sa petite taille et de sa mobilité, dépourvu de tout électron, le proton H⁺ peut s’approcher très près d’une autre espèce chimique riche en électrons, comme une molécule d’eau, avec laquelle il crée une association à la fois solide et de très brève durée de vie : l’ion hydronium (oxonium) H₃O⁺. Au bout d’un temps très court, quelques picosecondes, l’ion H⁺ quitte cette association chimique pour former avec une molécule d’eau voisine un autre ion hydronium.

L’eau pure contient des ions hydronium H₃O⁺ et hydroxyde HO^– en quantités égales provenant de la dissociation de molécules d’eau.

L’échange d’un proton se faisant entre deux molécules identiques, on parle de « l’autoprotolyse de l’eau ».

Les concentrations en ions hydronium et hydroxyde dans l’eau pure sont très faibles :
    à 25°C        [ H₃O⁺ ] = [HO^– ] = 10^-7 mol.L^-1
La proportion de molécules dissociées est très faible : environ une molécule sur 556 millions est dissociée.

L’eau pure est partiellement ionisée, car la réaction d’autoprotolyse est limitée
        2 H₂O ⇄  H₃O⁺ + HO^–

Au sein de l’eau ou de toute solution aqueuse, il existe un équilibre chimique entre les trois espèces chimiques H₂O, H₃O⁺ et HO^–.

Un équilibre chimique est un système dynamique où les deux réactions inverses (autoprotolyse de l’eau, transfert d’un proton à un ion HO^– par H₃O⁺ pour redonner une molécule d’eau) se produisent simultanément et à la même vitesse, les concentrations des différentes espèces restent alors constantes.

2 Poduit ionique de l'eau

Dans une eau pure, des mesures conductimétriques, réalisées à 25 °C donnent les résultats suivants : [H₃O⁺] = [HO^–] = 10^-7 mol.L^-1

A une température donnée, pour toute solution aqueuse diluée, quels que soient le nombre et la nature des ions présents dans cette solution, le produit des concentrations molaires en ions hydronium et hydroxyde reste constant.

Ce produit s’appelle « produit ionique de l’eau », noté Ke


On peut définir pKe = – log Ke = 14 à 25 °C le produit ionique de l’eau croît avec la température

La définition du produit ionique de l’eau permet d’interpréter la relation entre le pH et la concentration pour les solutions diluées de bases fortes.
[H₃O⁺] = 10^-pH     soit     pH = – log [H₃O⁺]
[H₃O⁺] . [HO^–] = Ke    soit
[H₃O⁺] =  Ke  
             [OH-]

pH = - log (  Ke   )
                  [OH-]

pH = - log (Ke) + log ([OH-])

pH = 14 + log (C_b)

Conséquences:

• Solution neutre

• Solution acide

• Solution basique