Le tableau suivant donne la densité de l'eau en grammes par centimètre cube à différentes températures en degrés Celsius :
| Température (°C) | Densité (g.cm-3) |
|---|
| 30 | 0.9957 |
| 20 | 0.9982 |
| 10 | 0.9997 |
| 0 | 0.9998 |
| -10 | 0.9982 |
| -20 | 0.9935 |
| -30 | 0.9839 |
Les valeurs en-dessous de 0°C concernent l'eau en
Surfusion.
Propriétés de l'eau liées à la vie terrestre
Certaines des caractéristiques de l'eau font d'elle une
Molécule remarquable, aux particularités qui ont permis à la
vie sur
Terre de se développer. Ces caractéristiques, surtout liées à sa
nature dipolaire, sont explicitées dans les chapitres qui suivent.
- L'eau a une force de cohésion élevée, ce qui rend cette matière difficile à évaporer (température d'ébullition particulièrement élevée pour une Molécule de cette Masse molaire). Cela permet à une importante phase liquide d'exister aux températures connues sur Terre, phase liquide indispensable à la vie telle que nous la connaissons.
- De même, ses propriétés de Solvant « doux » permettent à un très grand nombre de réactions biochimiques de se produire.
- Le fait que la Densité de l'eau soit plus grande à l'état liquide que solide, propriété commune avec le Bismuth, a une conséquence remarquable : la glace flotte. De surcroît, le fait que la densité de l'Eau douce soit maximale à 4°C fait que la température au fond d'un lac ne peut pas descendre en dessous de 4°C (sauf cas extrêmes). Cela permet à la vie aquatique de survivre aux périodes glacées, car l'eau reste liquide sous son manteau de glace isolant (d'ordinaire la densité à l'état liquide est plus faible qu'à l'état solide pour les autres corps).
- Par ailleurs, sa tension superficielle particulièrement élevée permet le phénomène de Capillarité, qui permet, entre autres, aux plantes de pousser et à de nombreux êtres vivants de se déplacer sur la surface de l'eau.
Formes de l'eau
- Voir la @ Forme de l'eau
L'eau peut prendre beaucoup de formes. L'état
Solide est communément appelé
Glace (tandis que beaucoup d'autres formes existent ; voir l'eau amorphe) ; l'
état gazeux est appelé
Vapeur d'eau (ou
vapeur), et la
Phase liquide ordinaire est tout simplement appelée l'eau. Au-dessus d'une certaine température et pression critique (647
K et 22.064
MPa), les molécules d'eau entrent dans un état dit
supercritique, dans lequel des agrégats moléculaires présentant des caractéristiques proches de l'eau liquide sont dans une phase de type gaz. L'explication physique du fait que l'eau solide soit moins dense que l'eau liquide vient de la structure en cristal de la glace, connue sous le nom de glace I
h (
h pour hexagonale). L'eau, le
Gallium, le
Bismuth, l'
Acide acétique, l'
Antimoine et le
Silicium sont quelques uns des matériaux qui se dilatent lorsqu'ils gèlent ; la plupart des autres matériaux se contracte. Il faut toutefois noter que toutes les formes de glace ne sont pas moins denses que l'eau liquide. Par exemple la glace HDA et la glace VHDA sont tous les deux plus denses que l'eau liquide pure. Dans ce cas, la raison pour laquelle la forme commune de la glace est moins dense est un peu moins intuitive, elle dépend fortement des propriétés intrinsèques peu communes des
liaisons hydrogène.
Indice de réfraction de l'eau
Tableau 1
Indice de réfraction de l'eau en fonction
de sa température et de la
longueur d'onde de la lumière | Longueur d'onde
λ (nm) | T = 10°C | T = 20°C | T = 30°C |
|---|
| 706,5 | 1,330 7 | 1,330 0 | 1,329 0 |
| 589,3 | 1,333 7 | 1,333 0 | 1,331 9 |
| 501,6 | 1,337 1 | 1,336 4 | 1,335 3 |
| 404,7 | 1,343 5 | 1,342 7 | 1,341 7 |
L'indice de réfraction
n d'un milieu transparent est une mesure de sa capacité à changer la direction de propagation d'un rayon de lumière qui y pénètre. Si la
Lumière devait voyager dans le vide puis pénétrer dans l'eau, on pourrait faire le rapport des sinus des angles d'incidence et de réfraction (mesurés à partir de la normale à la surface de l'eau, dans le plan d'incidence) selon la loi de Snell-Descartes (voir
Réfraction) pour calculer l'indice de réfraction de l'eau par rapport au vide.
Cet indice ne dépendrait que de l'état physique de l'eau (solide,
Liquide ou
gazeux). Mais, dans la pratique, il est plus simple d'utiliser une interface (ou
Dioptre) air-eau pour obtenir l'indice de réfraction de l'eau par rapport à l'air, puis de le convertir de l'air au vide en multipliant par l'indice de l'air par rapport au vide. Le résultat, qui est toujours plus grand que
1, est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à sa vitesse dans l'eau : la lumière voyage plus lentement dans l'eau que dans le vide (ou dans l'air). Tous les milieux
transparents sont
dispersifs, ce qui signifie que la vitesse de la lumière change avec sa
Longueur d'onde λ. Plus précisément, dans la partie visible du spectre électromagnétique (approximativement 400 à 700
nanomètres) l'indice de réfraction est généralement une fonction décroissante de la longueur d'onde : la lumière
bleue est plus déviée que le
rouge. En outre, le taux de changement de l'indice de réfraction augmente lorsque la longueur d'onde diminue. L'indice de réfraction augmente habituellement avec la
Densité du milieu. L'eau présente toutes ces caractéristiques. Le tableau 1 montre les résultats de quelques mesures (Tilton et Tailor) de l'indice de réfraction de l'eau par rapport à de l'air sec de même température
T que l'eau et à la pression de une
atmosphère (760
mmHg ou 1 013
hPa). Pour convertir les valeurs sous forme de tableaux relatifs à l'indice du vide, ajoutez 4 à la quatrième position décimale. Notez que l'indice de réfraction augmente lorsque la température de l'eau diminue. Ces résultats sont conformes aux attentes, puisque la densité de l'eau liquide augmente lorsqu'elle se refroidit. Cependant, si les mesures sont faites à de plus basses températures l'indice ne montre pas d'
extremum à 4°C, bien que la densité de l'eau y soit maximale. L'indice de réfraction est également une fonction de la
Pression de l'eau, mais la dépendance est faible en raison de l'incompressibilité relative de l'eau (comme tous les
liquides). En fait, sur les gammes normales des températures (0 - 30°C), l'augmentation approximative de l'indice de réfraction est de 0.000 016 quand la pression de l'eau augmente d'une atmosphère. Clairement, les facteurs les plus significatifs affectant l'indice de réfraction sont la longueur d'onde de la lumière et la salinité de l'eau. Néanmoins, l'indice de réfraction excède de moins de 1 % la gamme indiquée des valeurs de ces variables.
- Références
- L. W. Tilton et J. K. Taylor, stand national de bureau de recherche de J., 20, 419 (RP1085) 1938.
- E. Dorsey, « propriétés d'Eau-Substance ordinaire », (Reinhold Publishing Corporation 1940).
Chimie
Nature dipolaire de l'eau
Une propriété très importante de l'eau est sa nature
polaire. La
Molécule d'eau forme un angle de 104,45° au niveau de l’
Atome d'
Oxygène entre les deux atomes d'
Hydrogène. Puisque l'oxygène a une électronégativité plus forte que l'hydrogène, le côté de la molécule d'eau où se trouve l'atome d'oxygène est
chargé négativement, par comparaison avec le côté hydrogène. Une molécule avec une telle différence de charge est appelée un dipôle (molécule polaire), ayant un moment dipolaire de 1,83D. Cette différence de charge fait que les molécules d'eau s'attirent les unes les autres, le côté positif de l'une attirant le côté négatif d'une autre. Un tel lien électrique entre deux molécules s'appelle un
pont hydrogène ou
Liaison hydrogène. Cette polarisation permet aussi à la molécule d'eau de dissoudre les corps ioniques, en particulier les sels, et de les maintenir dans cet état en entourant chaque ion d'une coque de molécules d'eau, c'est la
Solvatation (voir ci-dessous l'eau comme solvant). Cette force d'attraction, relativement faible par rapport aux
liaisons chimiques covalentes de la molécule elle-même, est à la source de propriétés comme un
Point d'ébullition élevé (quantité d'énergie calorifique nécessaire pour briser les ponts hydrogènes), ainsi qu'une capacité calorifique élevée. À cause des ponts hydrogènes également, la
Densité de l'eau liquide est supérieure à la densité de la glace (état où l’eau est cristallisée). De ce fait, en hiver la glace qui se forme à la surface d'un étang y reste et protège du gel l'eau située plus bas, ce qui permet aux poissons et autres êtres vivants d'y survivre. L'eau atteint sa plus haute densité à la température de 4°C, qui est ainsi la température qu'on trouve typiquement au fond d'un étang gelé. Une autre conséquence est que la glace fond quand suffisamment de pression lui est appliquée.
Équilibre acidobasique
La réaction est dite d'auto-dissociation ou d'autoprotolyse. Sa constante thermodynamique est très faible (10-14 à 25°C) ; le nombre d'ions hydronium et hydroxyde formés est donc minoritaire devant le nombre de molécules d'eau. L'eau se dissocie naturellement en ion hydronium H
3O
+ et ion hydroxyde OH
− :
- 2H2O = H3O+ + OH−.
Par perte d'un proton H
+, elle devient OH
−. Par gain d'un proton H
+, elle devient l'ion hydronium H
3O
+. On dit donc que c'est une espèce
amphotère. Du fait de l'équilibre, à une température donnée, le produit des concentrations de ces ions, ou « produit de dissociation », est constant. À 25°C, il vaut :
- · = 10−14 (pas d'unité car constante d'équilibre).
La concentration (en
mole par
Litre) étant symbolisée par une mise entre crochets. Les ions hydronium et hydroxyde sont très réactifs, ils peuvent attaquer d'autres matériaux, les dissoudre. On définit l'acidité grâce à la concentration en ion hydronium, par le
pH :
- pH = −log10 .
À 25°C, le
pH de l'eau pure vaut 7, il est dit neutre. L’ajout de certains produits dits «
acides » va déplacer l’équilibre de dissociation de l’eau et abaisser le
pH (augmentation du nombre d'ions hydronium) ; à l'inverse, l'ajout de certains produits dits «
basiques » va déséquilibrer la réaction dans l'autre sens, favoriser la présence d'ions hydroxyde et augmenter le
pH. On note que l'eau peut capturer un proton ou en libérer un, c'est donc un
Ampholyte, c'est-à-dire à la fois un acide et une base. Cet équilibre acide/base est d'une importance capitale en
chimie minérale comme en
Chimie organique.
L'eau comme solvant
Grâce à sa polarité, l’eau est un excellent
Solvant. Quand un composé ionique ou polaire pénètre dans l’eau, il est entouré de molécules d'eau. La relative petite taille de ces molécules d’eau fait que plusieurs d'entre elles entourent la molécule de soluté. Les dipôles négatifs de l'eau attirent les régions positivement chargées du soluté, et vice versa pour les dipôles positifs. L'eau fait un excellent écran aux interactions électriques (la permittivité électrique ε
e de l'eau est de 78,5 à 25°C), il dissocie donc facilement les ions. En général, les
substances ioniques et polaires comme les
acides,
alcools, et
sels se dissolvent facilement dans l'eau, et les substances non-polaires comme les
huiles et les
graisses se dissolvent difficilement. Ces substances non-polaires restent ensemble dans l’eau car il est énergétiquement plus facile pour les
molécules d'eau de former des ponts hydrogène entre elles que de s'engager dans des interactions de van der Waals avec les molécules non polaires. Un exemple de soluté ionique est le
sel de cuisine alias
Chlorure de sodium, NaCl, qui se sépare en
cations Na
+ et
anions Cl
−, chacun entouré de molécules d'eau. Les ions sont alors facilement transportés loin de leur matrice cristalline. Un exemple de soluté non ionique est le
sucre de table. Les dipôles des molécules d'eau forment des ponts hydrogène avec les régions dipolaire de la molécule de sucre, et celle-ci est ainsi extraite vers l'eau liquide. Cette faculté de solvant de l'eau est vitale en
Biologie, parce que certaines réactions biochimiques n'ont lieu qu'en solution (par exemple, réactions dans le
Cytoplasme ou le
Sang.) C'est pourquoi, pour le moment, l’eau liquide est considérée comme indispensable à la vie et est activement recherchée sur les divers astres du système solaire, notamment sur
Mars et
Europe une lune de Jupiter.
Tension superficielle
Les ponts hydrogène confèrent à l’eau une grande tension superficielle et une grande cohésion. Cela se voit quand de petites quantités d'eau sont posées sur une surface non soluble et que l'eau reste ensemble sous forme de gouttes. Cette propriété qui se manifeste par la
Capillarité est utile dans le transport vertical de l'eau chez les végétaux et nuisible avec la remontée d'humidité dans les murs de maisons.
Conductivité
L'eau pure est en réalité un
Isolant. Mais puisque l'eau est un si bon solvant, elle contient souvent une bonne quantité de
soluté dissout, le plus souvent des sels. Si l'eau contient de telles impuretés, elle peut conduire l'électricité facilement. Le stator des très gros alternateurs est refroidi par circulation d'eau
déionisée dans les conducteurs creux de l'enroulement. Malgré les différences de potentiel de plusieurs dizaines de milliers de volts entre le circuit de refroidissement et les conducteurs électriques, il n’y a pas de problèmes de fuite de courant. Voir conductivité électrique (mesure). La pureté de l'eau peut être mesurée par sa résistance à un
Courant électrique.
Décomposition de l'eau (thermolyse et électrolyse)
La première décomposition de l’eau fut faite par
Lavoisier, en faisant passer de la
Vapeur d'eau sur du fer chauffé au rouge (
Thermolyse). Ce faisant, il établit que l’eau n’était pas un
élément mais un corps chimique composé de plusieurs éléments. La thermolyse de l’eau commence à devenir significative vers 750°C, et elle est totale vers 3 000°C. La réaction produit du
Dioxygène et du
Dihydrogène :
- 2H2O ↔ 2H2 + O2.
L’autre manière de décomposer l'eau est l'électrolyse. Sous l'effet d'un courant qui la traverse, l'eau peut être divisée en dihydrogène et dioxygène. Les molécules d'eau se dissocient naturellement en ions H
3O
+ et OH
−, qui sont attirés par la
Cathode et l'
Anode respectivement mais comme cette dissociation est faible dans la pratique on a recours à des
catalyseurs comme l’
Acide sulfurique ou l’
Hydroxyde de sodium. À l’anode, quatre ions OH
− se combinent pour former des molécules de
Dioxygène O
2, deux molécules d'eau, et libérer quatre électrons. Les molécules de dioxygène ainsi produites s'échappent sous forme de bulles de gaz vers la surface, où elles peuvent être collectées. Dans le même temps, à la cathode, il y a une libération de deux molécules de
Dihydrogène H
2 avec utilisation de quatre électrons.
- 4OH− → O2 + 2H2O + 4e−.
- 4H3O+ + 4e− → 2H2 + 4H2O.
Production de l'eau pure
L'eau pure est un excellent
Solvant et absorbe facilement les
gaz qui entrent à son contact. Par conséquent, l'eau pure est pratiquement introuvable. Les laboratoires d'analyses ont néanmoins besoin de cette eau pure pour réaliser des analyses fiables. Ils vont donc faire appel, au cours du temps, à des techniques de purification de plus en plus sophistiquées. Après l'
Eau distillée, bidistillée, déminéralisée, déionisée, la technique progresse vers une eau de plus en plus pure, donc coûteuse à produire et de plus en plus instable.
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
Notes et références
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