L'eau pure ou presque

Chacun connaît la formule chimique de l'eau : \(\textrm H_2\textrm O\) , que l'on devrait donc appeler oxyde de dihydrogène. L'eau est liquide entre 0 et 100 °C sous une pression de 1 bar. Cet état liquide dans ces conditions s'explique par l'existence de nombreuses liaisons intermoléculaires que l'on appelle « liaisons hydrogène ».

On a pu constater que même extrêmement purifiée, l'eau liquide conduisait très faiblement le courant électrique, propriété qui ne peut s'expliquer que par la présence de très faibles quantités d'ions ^[1]dans le liquide ; ces ions se sont révélés être des ions \(\textrm H^+\) (ion hydrogène) et \(\textrm{OH}^-\) (ion hydroxyde) entourés de plusieurs molécules d'eau.

La formule chimique de ces ions devrait donc être : \(\textrm H^+\), \(\textrm x. \textrm H_2\textrm O\) et \(\textrm{OH}^-\) , \(\textrm y. \textrm H_2\textrm O\) où \(\textrm x\) représente le nombre de molécules d'eau entourant un ion \(\textrm H^+\) et \(\textrm y\) le nombre de molécules d'eau entourant un ion \(\textrm{OH}^-\) ; pour simplifier l'écriture on utilise parfois le symbole aq signifiant « aqueux » en indice de la formule de l'ion : \(\textrm H^+_{aq}\) et \(\textrm{OH}^-_{aq}\). Le plus souvent, pour des raisons de rapidité d'écriture, on utilise plutôt la notation \(\textrm H_3\textrm O^+\) c'est à dire un ion \(\textrm H^+\) solvaté par une molécule d'eau (ion hydronium) et \(\textrm{OH}^-\) pour ces deux ions . Ces notations ne correspondent pas vraiment à la réalité, les valeurs de \(\textrm x\) et de \(\textrm y\) pouvant dépasser 4 ou 5...

La présence de ces deux ions résulte de la réaction dite d'auto-protolyse de l'eau :

Cette transformation correspond à un « échange » d'ion \(\textrm H^+\) entre deux molécules d'eau l'une perdant un ion \(\textrm H^+\) pour devenir un ion \(\textrm{OH}^-\) et l'autre le gagnant pour devenir \(\textrm H_3\textrm O^+\) ; la constante d'équilibre associée à cette réaction, \(\mathrm{K_e}\), est souvent nommée « produit ionique de l'eau »

A l'état d'équilibre, si \(\textrm Q\) représente le quotient réactionnel associé à la réaction d'autoprotolyse de l'eau, \(\textrm Q\) aura pour valeur \(\mathrm{K_e}\).

Ce quotient réactionnel s'exprime :

où \(\textrm a_\textrm i\) représente l'activité de l'espèce i. Compte tenu des faibles quantités d'ions présentes, ces derniers seront considérés comme des solutés et l'eau sera le solvant.

Les activités sont alors :

car l'activité d'un soluté, si sa concentration n'est pas trop élevée, est égale au rapport de sa concentration en mol.L^-1 sur la concentration de référence \(\mathrm{c° = 1\textrm{ mol.L}^{-1}}\)

L'activité d'un solvant étant égale à 1, l'activité de l'eau \(\textrm{a}_{\textrm{H}_2\textrm{O} = 1}\).

Le quotient réactionnel \(\textrm Q\) vaut donc :

où \([\textrm{OH}^-]\) et \([\textrm H_3\textrm O^+]\) sont les concentrations des ions à l'état d'équilibre.

En remplaçant \(\textrm c°\) par sa valeur et en remarquant que lorsqu'un ion \(\textrm H_3\textrm O^+\) se forme, il se forme obligatoirement également un ion \(\textrm{OH}^-\) et que par conséquent ,\([\textrm{OH}^-]=[\textrm{H}_3\textrm{O}^+]\) cette relation devient :

La concentration de l'eau \(\textrm H_2\textrm O\) s'obtient à partir de la masse volumique^[2] \(\rho\) de l'eau à 25°C : \(\rho\) vaut 0,9970 kg/L , un litre d'eau a donc une masse de 997,0 g ; la masse molaire de l'eau étant de 18,02 g.mol^-1 , la concentration en eau sera :