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Réaction d’autoprotolyse et produit ionique de l’eau

Par Yann le 05/01/2018 Ressources > Physique-Chimie > Terminale S > Acides et bases > Autoprotolyse et Produit Ionique de l’Eau

L’eau en tant qu’acide et en tant que base

L’eau en tant qu’acide

L’eau H2O joue le rôle d’un acide au sein du couple acide base (H2O/OH).

La molécule d’eau cède un proton H+ pour former sa base conjuguée, l’ion hydroxyde de formule OH.

La demi-équation de réaction associée est alors la suivante :

 H2ODouble flêche de l'équilibre chimique OH + H+

L’eau étant un acide, elle peut donc réagir avec une base B dont la demi-équation de réaction est :

 B + H+Double flêche de l'équilibre chimique BH

Par conséquent, en assemblant les deux demi-équations de réaction, l’équation de réaction entre l’eau (en tant qu’acide) et cette base obtenue est alors :

 H2O + BDouble flêche de l'équilibre chimique OH+ BH

L’eau en tant que base

L’eau joue également le rôle d’une base au sein du couple acide base ( H3O+/H2O).

Dans ce cas, la molécule d’eau capte un proton H+ pour former son acide conjugué, l’ion oxonium de formule H3O+. La demi-équation de réaction associée est alors la suivante :

 H2O + H+Double flêche de l'équilibre chimique H3O+

L’eau étant une base, elle peut donc réagir avec un acide AH dont la demi-équation de réaction est :

 AHDouble flêche de l'équilibre chimique A + H+

Par conséquent, en assemblant ces deux demi-équations de réaction, l’équation de réaction entre l’eau (en tant que base) et cet acide qui en résulte est alors :

 H2O + AHDouble flêche de l'équilibre chimique H3O+ + A

L’eau est un ampholyte

Etant donné que, selon le couple acide-base considéré, l’eau peut jouer le rôle d’acide ou de base, on dit qu’elle est un ampholyte.

A noter qu’il existe d’autres ampholytes, comme par exemple l’ion hydrogénocarbone (HCO3) qui joue le rôle d’un acide dans le couple (HCO3/CO32-) et le rôle d’une base dans le couple (H2CO3/HCO3).

L’autoprotolyse de l’eau

Ainsi, l’eau peut aussi bien jouer le rôle d’un acide que jouer le rôle d’une base. Comme les acides et les bases réagissent entre eux, l’eau peut donc réagir avec elle-même. Par conséquent, deux molécules d’eau vont pouvoir réagir ensemble, une des deux molécules réagissant en tant qu’acide et l’autre molécule d’eau réagissant en tant que base.

Cela donne les deux demi-équations de réaction suivantes :

 H2ODouble flèche de l'équilibre chimique OH + H+
 H2O + H+Double flèche de l'équilibre chimique H3O+

Et par conséquent, l’équation de réaction suivante est obtenue :

 H2O + H2ODouble flêche de l'équilibre chimique   OH + H3O+

Soit:

 2 H2ODouble flêche de l'équilibre chimique   OH + H3O+

L’une des molécules d’eau va perdre un proton H+ et c’est l’autre molécule d’eau qui va capter ce proton H+, ce qui donne spontanément naissance à des ions hydroxyde et des ions oxonium : ce phénomène est appelé autoprotolyse de l’eau.

Concrètement, cela signifie donc qu’il y a toujours des ions libres dans l’eau. Cependant, il faut noter que cette réaction est très limitée : ces ions apparaissent en très faible quantité par rapport aux molécules d’eau.

Par ailleurs, elle est également réversible, d’où la présence de la double flèche dans l’écriture de l’équation de réaction.

Qu'est-ce que l'autoprotolyse de l'eau ? L’eau : à la fois acide et base.

Autoprotolyse et conductivité de l’eau pure

Le phénomène d’autoprotolyse implique que l’eau pure n’existe pas puisque les molécules d’eau sont toujours accompagnées d’ions oxonium et d’ions hydroxyde.

En raison de la présence de ces ions, l’eau n’est jamais totalement isolante et a donc une conductivité non nulle. Cependant,  compte-tenu de la faible concentration de ces ions, la conductivité est également très faible.

Le produit ionique de l’eau

Définition du produit ionique de l’eau

L’équilibre qui existe entre l’eau et les ions produits par la réaction d’autoprotolyse de l’eau peut être caractérisé par la relation suivante :
Ke = [H3O+] x [OH]

  • Ke est une constante appelée produit ionique de l’eau.
  • [H3O+] est la concentration en ions oxonium
  • [OH] est la concentration en ions hydroxyde

C’est une grandeur sans unité qui dépend de la température.

Remarque : dans l’écriture d’une constante de réaction, les concentrations des solides et des liquides purs n’apparaissent pas dans l’écriture de la constante. Pour ce qui est du cas présent, la concentration en eau n’apparaît donc pas dans l’écriture du produit ionique de l’eau.

Calcul du produit ionique de l’eau pure

Déterminons la valeur du produit ionique de l’eau pure à 25°C.

A 25°C, le pH de l’eau pure est égal à 7.

De plus, [H3O+] = 10-pH  = 10-7 mol/L (avec pH = 7)

Dans une eau pure, les ions hydroxyde et les ions oxonium sont produits en même quantité par autoprotolyse, ce qui signifie que leurs concentrations ont la même valeur : [H3O+] = [OH].

Ke = [H3O+] x [OH]

=> Ke = [H3O+] x [H3O+]

=> Ke = [H3O+]2

=> Ke = 10-14

Ainsi, à 25°C, le produit ionique de l’eau a pour valeur Ke = 10-14

Solutions aqueuses acides, basiques et neutres

Nous avons vu plus haut qu’une solution d’eau pure à 25°C est à pH = 7 et contient des ions oxonium et hydroxyde en concentrations égales : [H3O+] = [OH]. On dit que la solution est neutre.

Toute solution pour laquelle [H3O+] > [OH] est acide.

Toute solution pour laquelle [OH] > [H3O+] est basique.

Relation entre pKe, pH et pOH

D’après la formule du produit ionique de l’eau, Ke = [H3O+] x [OH].

En appliquant un logarithme népérien de chaque côté de l’équation, on obtient la relation suivante :

– log(Ke) = -log([H3O+] x [OH]) = -log([H3O+]) -log[OH])

Compte-tenu des notations et relations suivantes :

  • log(Ke) = pKe
  • log([H3O+]) = pH
  • log([OH]) = pOH

On en déduit l’expression suivante :

pKe = pH + pOH

A 25°C, le Ke étant égal à 10-14  alors le pKe est égal à 14.

Par conséquent, la somme du pH et du pOH est toujours égale à 14 à 25°C.

Remarque : comme dit précédemment, le Ke dépend de la température. Le pKe est donc égal à 14 uniquement à 25°C.

Calcul de la concentration en ions hydroxyde OH à partir du pH

La relation du produit ionique de l’eau va permettre par exemple de calculer la concentration en ions hydroxyde à partir du pH.

En effet, prenons l’exemple d’une solution aqueuse qui a un pH égal à 6 à 25°C.

On sait que [H3O+] = 10-pH  = 10-6 mol/L (avec pH = 6)

Comme Ke = [H3O+] x [OH],

Alors

    \[[OH^{-}] = \frac{Ke}{[H_{3}O^{+}]}\]

Donc

    \[[OH^{-}] =\frac{10^{-14}}{10^{-6}}\]

avec [H3O+] = 10-6 mol/L et Ke = 10-14

Soit

    \[[OH^{-}] = 10^{-14+6}=10^{-8}\]

la concentration étant exprimée en mol/L.

Calcul de la concentration en ions oxonium et déduction du pH

La formule du produit ionique de l’eau va également permettre en particulier de calculer la concentration en ions oxonium (et donc d’en déduire le pH) à partir de la concentration en ions hydroxyde.

Prenons l’exemple d’une solution aqueuse de concentration en ions hydroxyde [OH] = 10-3 mol/L.

Comme Ke = [H3O+] x [OH],

Alors

    \[{[H_{3}O^{+}]}= \frac{Ke}{[OH^{-}]} \]

Donc

    \[{[H_{3}O^{+}]}= \frac{10^{-14}}{10^{-3}}\]

avec [OH] = 10-3 mol/L et Ke = 10-14

Soit

    \[{[H_{3}O^{+}]}= 10^{-14+3}=10^{-11}\]

la concentration étant exprimée en mol/L

Comme [H3O+] = 10-11 mol/L = 10-pH  alors on en déduit que le pH de cette solution est égal à 11.

Qu'est-ce qu'une eau pure ? L’eau pure a un pH égal à 7 à 25°C

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