Quel est le pH de l'eau pure et pourquoi ?

À 25 °C, le pH de l’eau pure est égal à 7. Cette valeur indique une solution neutre, mais elle ne constitue pas une règle valable à toutes les températures. La neutralité repose en réalité sur l’égalité des quantités d’ions positifs et négatifs produits par l’eau elle-même, grâce à un phénomène appelé auto-ionisation ou autoprotolyse.

L’auto-ionisation de l’eau

Même dans une eau dépourvue de solutés, une très faible proportion des molécules H₂O échange spontanément un proton avec une autre molécule d’eau. L’équilibre s’écrit : 2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻. Un ion H₃O⁺, appelé ion oxonium, se forme lorsqu’une molécule d’eau cède un proton à une autre ; cette dernière devient alors un ion hydroxyde OH⁻. Les deux ions apparaissent en quantités égales. À 25 °C, le produit ionique de l’eau, noté Kw, est proche de 1,0 × 10⁻¹⁴. Dans l’eau pure, cela conduit à des concentrations d’environ 1,0 × 10⁻⁷ mol/L pour les ions H₃O⁺ et OH⁻.

Pourquoi le pH vaut-il 7 à 25 °C ?

Le pH est rigoureusement défini à partir de l’activité des ions H₃O⁺ ; dans une présentation simplifiée, on l’approche par le logarithme décimal négatif de leur concentration. À 25 °C, avec une concentration en ions H₃O⁺ voisine de 10⁻⁷ mol/L, on obtient pH = −log₁₀(10⁻⁷) = 7. L’eau est dite neutre non pas uniquement parce que son pH affiche 7, mais parce que les concentrations en ions H₃O⁺ et OH⁻ sont égales. À cette température de référence, une solution est généralement qualifiée d’acide si elle contient davantage d’ions H₃O⁺ que d’ions OH⁻, et de basique dans le cas inverse.

Une neutralité qui dépend de la température

La constante Kw varie avec la température. La quantité d’ions H₃O⁺ et OH⁻ présents dans l’eau pure change donc elle aussi, tandis que leur égalité est conservée. Le pH de neutralité n’est par conséquent pas toujours égal à 7 : il est égal à 7 à 25 °C, mais il diminue lorsque la température augmente et augmente lorsque la température baisse. Il faut donc distinguer le pH neutre, qui dépend des conditions thermiques, de la neutralité chimique, qui correspond à l’égalité entre les ions H₃O⁺ et OH⁻.

L’eau pure en conditions réelles

L’eau parfaitement pure est surtout un modèle utilisé pour raisonner en chimie. Une eau distillée ou déionisée peut encore absorber du dioxyde de carbone présent dans l’air ; celui-ci réagit avec l’eau et forme des espèces acides, ce qui peut faire baisser le pH mesuré. La valeur 7 caractérise donc l’eau pure à l’équilibre et à 25 °C, dans des conditions où aucun autre composé dissous ne perturbe l’équilibre. En pratique, la température et la contamination par l’air ou par le récipient doivent être prises en compte lors d’une mesure.