Molécule d'eau

Lamolécule d’eau, de formule H2O, est le constituant essentiel de l’eaupure. Celle-ci contient également desionsrésultant de l’autoprotolyse de l’eauselon l’équation d'équilibre: H2O⇌{\displaystyle \rightleftharpoons }H+ OH(ou 2 H2O⇌{\displaystyle \rightleftharpoons }H3O+ OH). L’eau pure n’est pas présente dans la nature et doit être obtenue par des processus physiques.
L’eau à pression ambiante (environ unbar) estgazeuseau-dessus de100°C,solideen dessous de0°Cetliquideentre les deux; les autres composés proches ou apparentés (sulfure d’hydrogène,ammoniacetméthane) sont tousgazeuxmême à des températures bien plus basses.
L’état solidede l’eau est laglace; l’étatgazeuxest lavapeur d'eau.
L’état de l’eau dépend des conditions depressionPet detempératureT. Il existe une situation unique (P,T) dans laquelle l’eau coexiste sous les trois formes solide, liquide, et gazeux ; cette situation est appelée «point triplede l’eau », elle a lieu à une température de273,16K(0,01°C) et une pression de611,2Pa.
Lesunitésde température (degrés Celsius,kelvin) sont définies en prenant ce point triple de l’eau comme référence.
Lavitesse du sondans l’eau est de1 500m/sdans lesconditions normales de température et de pression.
Laconductivité électriquede l'eau pure à20°Cest très faible : 5,5 × 10S/m. L'eau pure est donc considérée comme unisolant électrique.
Lamassed’unlitred’eau à la température de4°Cétait la première définition dukilogramme. Par approximation, on prend pourmasse volumiquede l’eau dans les conditions normales la valeur de1 000kg/m, unetonneparmètre cubeou encore un kilogramme par litre (1kg/l).
Lacapacité thermique massiquede l’eau est de 4 186J kgKdans lesconditions normales de température et de pression. L’eau était utilisée comme étalon de chaleur dans d’anciens systèmes d’unités : lacalorie(et lafrigorie) quantifiait la chaleur à apporter pour augmenter d’un degré Celsius la température d’un gramme d’eau : soit 4,185J.
L’eau est pratiquement considérée comme unfluide incompressibledans la plupart des applications. Son coefficient decompressibilitéest de 4,5 × 10Pa.
À 20 000menviron, l’eau entre en ébullition à la température du corps humain : c’est une barrière infranchissable pour l’humain sans dispositif de pressurisation (vêtement à pressurisation partielle, scaphandre, ou cabine pressurisée).
L'eau est un fluide thermodynamique d'usage courant, efficace et économique.
Propriétés nucléaires
L'eau légère présente unesection efficacemicroscopique totale (2 ⋅ hydrogènes + 1 ⋅ oxygène) de 0,931mbaux neutrons thermiques. L'eau est plus capturante que l'eau lourdecar letritiumformé par capture d'un neutron par ledeutériumest unnucléideinstable tandis que le deutérium formé par capture d'un neutron par leprotiumest stable.
Certaines des caractéristiques de l’eau font d’elle unemoléculeremarquable, aux particularités qui ont permis à laviesurTerrede se développer. Ces caractéristiques, surtout liées à sanature dipolaire, sont explicitées dans les chapitres qui suivent.
L’eau peut prendre différentes formes :
L'explication physique du fait que l’eau solide soit moins dense que l’eau liquide vient de la structure cristalline de la glace, connue sous le nom de glace Ih(« h » pour hexagonale). L’eau, comme quelques (rares) matériaux, comme lesilicium, legallium, legermanium, l’antimoine, lebismuth, et leplutonium, se dilatent en passant de la forme liquide au solide ; la plupart des autres matériaux se contractent à lasolidification.
Il faut toutefois noter que toutes les formes de glace ne sont pas moins denses que l’eau liquide. Par exemple la glaceHDAet la glaceVHDAsont toutes 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 desliaisons hydrogène.
Tous les milieuxtransparentssontdispersifs, ce qui signifie que lavitesse de la lumièrechange avec salongueur d'ondeλ.
Plus précisément, dans la partie visible duspectre électromagnétique(approximativement 400 à 700nm) l’indice de réfraction est généralement une fonction décroissante de la longueur d’onde : la lumièrebleueest plus déviée que lerouge. 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 ladensitédu milieu.
L’eau présente toutes ces caractéristiques.
Le tableau précédent montre les résultats de quelques mesuresde l’indice de réfraction de l’eau par rapport à de l’air sec de même températureTque l’eau et à la pression de uneatmosphère(760mmHgou1 013hPa).
Pour convertir les valeurs sous forme de tableaux relatifs à l’indice du vide, il faut ajouter 4 à la quatrième position décimale.
Notons 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’extremumà4°C, bien que la densité de l’eau y soit maximale.
L’indice de réfraction est également une fonction de lapressionde l’eau, mais la dépendance est faible en raison de l’incompressibilité relative de l’eau (comme tous lesliquides). En fait, sur les gammes normales des températures (0à30°C), l’augmentation approximative de l’indice de réfraction est de 0,000 016 quand la pression de l’eau augmente d’une atmosphère.
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.
Un nouvel «état quantique» de l’eau a été observé alors que des chercheurs ont introduit des molécules d’eau dans unnanotubede carbone de 1,6nmde diamètre et l'ont exposée à une diffusion deneutrons. Les protons des atomes d’hydrogène et d’oxygène possèdent alors une énergie supérieure à celle de l’eau libre, en raison d’un état quantique singulier. Ceci pourrait expliquer le caractère exceptionnellement conducteur de l’eau au travers des « canaux » qui traversent les membranes cellulaires biologiques.
Une propriété très importante de l’eau est sa naturepolaire. Lamoléculed’eau forme un angle de 104,45° au niveau de l’atomed’oxygèneentre les deux liaisons avec les atomes d’hydrogène. Puisque l’oxygène a uneélectronégativitéplus forte que l’hydrogène, l’atome d’oxygène a unecharge partiellenégativeδ, alors que les atomes d’hydrogène ont une charge partielle positiveδ. Une molécule avec une telle différence de charge est appelée undipôle(molécule polaire). Ainsi, l’eau a un moment dipolaire de1,83debye. Cette polarité 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 uneliaison hydrogène.
Cette polarisation permet aussi à la molécule d’eau de dissoudre les corps ioniques, en particulier les sels, en entourant chaque ion d’une coque de molécules d’eau par un phénomène desolvatation.
Cette force d’attraction, relativement faible par rapport auxliaisons covalentesde la molécule elle-même, explique certaines propriétés comme lepoint d'ébullitionélevé (quantité d’énergie calorifique nécessaire pour briser les liaisons hydrogène), ainsi qu’unecapacité thermiqueélevée.
À cause des liaisons hydrogène également, ladensitéde l’eau liquide est supérieure à la densité de la glace.
L’eau se dissocie naturellement en ionoxoniumH3O(aussi appelé hydronium) et ionhydroxydeOH:2 H2O= H3O+ OH.
La réaction est dite d’autodissociation ou d’autoprotolyse.
Dans cette réaction, l’eau joue à la fois le rôle d’acideet debase: comme acide, elle perd unprotonHet devient l’ion hydroxyde OH; comme base elle gagne un proton Het devient l’ion oxonium H3O. On dit donc que c’est une espèceamphotèreou unampholyte.
Laconstante d'équilibrede cette réaction est très faible (10à25°C) ; le nombre d’ions oxonium et hydroxyde formés est donc très minoritaire devant le nombre de molécules d’eau.
Du fait de l’équilibre, à une température donnée, le produit des concentrations de ces ions est constant, égal à laconstante de dissociation. À25°C, il vaut :[H3O]·[OH] = 10.
Dans l’eau pure, les ions H3Oet OHsont issus uniquement de l’autoprotolyse de l’eau, ils sont donc présents en concentrations égales, donc :[H3O] = [OH] = 10mol/l(à25°C).
LepHétant défini à partir de la concentration en ions oxonium (pH = −log10[H3O]), à25°C, le pH de l’eau pure vaut donc 7, il est dit neutre.
Cet équilibre acide/base est d’une importance capitale enchimie inorganiquecomme enchimie organique.
Grâce à sa polarité, l’eau est un excellentsolvant. 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 (lapermittivitéélectriqueεede l’eau vaut 78,5 à25°C), il dissocie donc facilement les ions.
En général, lessubstancesioniques et polaires comme lesacides,alcools, etselsse dissolvent facilement dans l’eau, et les substances non polaires comme leshuileset lesgraissesse dissolvent difficilement. Ces substances non polaires restent ensemble dans l’eau car il est énergétiquement plus facile pour lesmoléculesd’eau de former des liaisons hydrogène entre elles que de s’engager dans desinteractions de van der Waalsavec les molécules non polaires.
Un exemple de soluté ionique est leselde cuisine aliaschlorure de sodium, NaCl, qui se sépare encationsNaetanionsCl, chacun entouré de molécules d’eau. Les ions sont alors facilement transportés loin de leur matrice cristalline. Un exemple de soluté non ionique est lesucre de table. Les dipôles des molécules d’eau forment des liaisons hydrogène avec les régions dipolaires de la molécule de sucre.
Cette faculté de solvant de l’eau est vitale enbiologie, parce que certaines réactions biochimiques n’ont lieu qu’en solution (par exemple, réactions dans lecytoplasmeou lesang).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 surMarsetEurope, une lune de Jupiter.
Les liaisons hydrogène confèrent à l’eau une grandetension superficielleet une grande cohésion. Cela se voit quand de petites quantités d’eau sont posées sur une surface non poreuse et que l’eau reste ensemble sous forme de gouttes. Cette propriété qui se manifeste par lacapillaritéest utile dans le transport vertical de l’eau chez les végétaux (sève) et nuisible avec la remontée capillaire d’humidité dans les murs de maisons à partir du sol.
L’eau pure est un mauvaisconducteurd’électricité. Mais puisque l’eau est un bon solvant, elle contient souvent une grande quantité desolutésdissous, le plus souvent des ions. Si l’eau contient de telles impuretés, elle peut conduire l’électricité plus facilement. Le stator des très grosalternateursest refroidi par circulation d’eaudésioniséedans 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. Voirconductivité électrique(mesure).
La pureté de l’eau peut être mesurée par sa résistance à uncourant électrique.
La premièredécompositionde l’eau fut faite parLavoisier, en faisant passer de lavapeur d'eausur duferchauffé au rouge (thermolyse). Ce faisant, il établit que l’eau n’était pas unélémentmais un corps chimique composé de plusieurs éléments.
La thermolyse (décomposition thermique) de l'eau pure produit dudioxygèneet dudihydrogène:2 H2O→ 2 H2+ O2.
Elle requiert une température très élevée, de l'ordre de2 000°C, et n'est totale que vers5 000°C.
Il est plus aisé de décomposer l’eau parélectrolyse. Sous l’effet d’une tension appliquée entre deux électrodes plongées dans de l’eau, l’eau peut être décomposée en dihydrogène et dioxygène. Les molécules d’eau se dissocient naturellement en ions H3Oet OH, qui sont attirés par lacathodeet l’anoderespectivement, mais comme cette dissociation est faible, dans la pratique on a recours à descatalyseurscomme l’acide sulfuriqueou l’hydroxyde de sodium. À l’anode, quatre ions OHse combinent pour former des molécules de dioxygène O2, 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 H2avec utilisation de quatre électrons.
4OH→ O2+ 2H2O+ 4e
4H3O+ 4e→ 2H2+ 4H2O
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.