Chimie · 2ème ScThème 2 : Les solutions · Chapitre 6

L'ionisation propre de l'eau pure

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• expliquer la très faible conductibilité électrique de l'eau pure ;
• écrire l'équation de l'ionisation propre de l'eau et dire pourquoi l'eau est un ampholyte ;
• expliquer ce qu'est un équilibre dynamique ;
• utiliser la relation [H₃O⁺].[OH^-] = 10^-14 à 25 °C ;
• reconnaître une solution acide, basique ou neutre d'après [H₃O⁺] ou [OH^-].
Prérequis : conductibilité électrique des solutions, ions H₃O⁺ des solutions acides et OH^- des solutions basiques, concentration molaire.

Situation de départ

Sur l'étiquette d'une bouteille d'eau minérale, on lit la liste des ions dissous : calcium, magnésium, sodium, hydrogénocarbonate, chlorure... Ces ions permettent à l'eau minérale de conduire le courant électrique.
Mais l'eau distillée, celle qu'on met dans un fer à repasser, ne contient aucun soluté. Contient-elle quand même des ions ?

I. L'eau pure conduit très faiblement le courant

1. Expérience

On réalise un circuit comportant un générateur de tension continue G, un interrupteur K, un milliampèremètre et un électrolyseur rempli d'eau fraîchement distillée. Quand on ferme K, l'aiguille d'un ampèremètre ordinaire ne bouge pas. Mais sur le plus petit calibre du milliampèremètre, on détecte un courant très faible, d'intensité voisine de 0,2 mA.

Animation

Fig. 1 — Avec de l'eau distillée, le courant existe mais il est très faible.

À retenir

L'eau pure conduit très faiblement le courant électrique : elle contient des ions positifs et des ions négatifs, mais en très petite quantité.

Comparaison

Dans le même montage, une solution de chlorure de sodium (eau salée) donne un courant des centaines de fois plus intense : elle contient beaucoup plus d'ions.

2. Interprétation : l'ionisation propre de l'eau

Les ions de l'eau pure proviennent de l'eau elle-même. Au cours des chocs entre molécules, une molécule d'eau cède un proton H⁺ à une autre molécule d'eau. Il se forme un ion hydronium H₃O⁺ et un ion hydroxyde OH^- :

H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH^-

Cette réaction s'appelle l'ionisation propre de l'eau (ou autoprotolyse de l'eau).

Fig. 2 — Une molécule d'eau cède un proton H⁺ à une autre molécule d'eau.

À retenir

Dans l'ionisation propre, une molécule d'eau joue le rôle d'acide (elle cède un proton) et l'autre le rôle de base (elle capte ce proton). L'eau est donc à la fois un acide et une base : c'est un ampholyte (on dit aussi qu'elle est amphotère).

II. Un équilibre dynamique

1. Deux réactions simultanées

Puisque l'eau pure contient très peu d'ions, l'ionisation est très limitée. En effet, dès qu'un ion H₃O⁺ rencontre un ion OH^-, la réaction inverse se produit :

H₃O⁺ + OH^- H₂O + H₂O

Les deux réactions se déroulent en même temps. On les représente par une seule équation écrite avec une double flèche :

H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH^-

2. Équilibre chimique et équilibre dynamique

À l'échelle macroscopique, il arrive un moment où les concentrations des ions H₃O⁺ et OH^- ne varient plus : on dit que le système a atteint un équilibre chimique.
À l'échelle microscopique, les deux réactions continuent pourtant à se produire, avec la même rapidité : autant d'ions se forment qu'il en disparaît. C'est pourquoi on parle d'équilibre dynamique.

Une image

Dans un parking plein où, chaque minute, autant de voitures entrent qu'il en sort, le nombre de voitures garées reste constant, et pourtant il y a toujours du mouvement : c'est un équilibre dynamique.

3. Le produit ionique de l'eau

À 25 °C, les mesures montrent qu'à l'équilibre le produit des concentrations molaires des ions H₃O⁺ et OH^- vaut :

[H₃O⁺].[OH^-] = 10^-14 (à 25 °C)

Dans l'eau pure, chaque ionisation donne un ion H₃O⁺ et un ion OH^- : ces ions sont en quantités égales, donc

[H₃O⁺] = [OH^-] = 10^-7 mol.L^-1 (eau pure à 25 °C)

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