L'eau (Travaux Pratiques Encadrés)

« La dissolution des sels 0 Y Molécule de sel ~ (NaCI) Molécule d'eau (H20) pure .

Ainsi, la cristallisation des molécules d'eau est moins aisée et requiert des températures inférieures.

UNE GRAN DE CAPA CITt CALO RIF IQUE La quantité de chaleur nécessaire pour réchauffer l'eau est particulièrement importante .

Cette propriété est à la base de la définition de la calorie : une calorie est la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d 'un gramme d'eau de 1 •c.

Et ceci correspond à une énergie considérable : 4 fois plus que pour un gramme d'air, et 10 fois plus que pour un gramme de fer ! Pourquoi 1-------------"""T------------___, faut-il autant d 'énergie? Pour accroître d'eau à température ambiante.

Revenons à la structure de la molécule d'eau pour expliquer ce phénomène , et plus précisément à son caractère polaire .

Dans la molécule d'eau, l'oxygène est plus avide d'électrons que l'hydrogène : il a tendance à capter plus fortement les électrons .

De ce fait dans l'eau on se trouve en présence d'ions W et OW.

Or, toute charge électrique est attirée par son opposé.

Lorsque que l'on verse du sel dans de l'eau, les ions chlorure (Cl") et sodium (Na•}, pourtant fortement liés entre eux, se séparent et sont attirés respectivement vers l'hydrogène (W) et l'ion hydroxyle .

Les molécules d 'eau forment alors un « écra n » entre les différents constituants du sel qui les empêche de se recombiner .

Bien évidemment, si la concentration en sels est trop importante , les molécules d'eau ne sont plus assez nombreuses pour assurer leur rôle d'« écran ».

La solution est alors « saturée ».

Ce phénomène de dissolution n'est pas seulement valable pour les sels, mais aussi pour bon nombre d'éléments variés .

Dans la nature , l'eau est ainsi le véhicule bienfaisant qui assure les échanges internes dans le corps humain et dans les plantes , mais devient aussi un ve deur de pollution en drainant certaines substances toxiques qui se trouvent sur son chemin (engrais, pesticides, etc.) .

LIAISON HYDROGENE ET PROPRIÉTÉS DE L'EAU DESCRIPTIO N OE LA LIAISON HYDROGÈNE Grace au caractère polaire de l'eau, un atome d'oxygè ne est attiré et se lie à un atome d'hydrogène d'une molécule d'eau voisine.

La liaison hydrogène est directionnelle car elle s'aligne dans l'axe de la liaison covalente qui lui est associée.

L'énergie de formation et le comportement de cette liaison restent une énigme.

En effet, cette dernière est à la fois beaucoup moins énergétique, c'est-à-dire moins « solide», que les liaisons internes à la molécule d 'eau et plus énergétique que les liaisons intermoléculaires d'autres substances a priori analogues .

Dans l'eau liquide , cette liaison se tord aisément, se défait ou se refait très rapidement (environ mille milliards de fois par seconde), ce qui explique la grande fluidité de l'eau .

Mais la liaison hydrogène existe aussi dans d'autres composés , en particulier dans les molécules biologiques comme les protéines ou la molécule d'ADN dont les deux brins sont liés entre eux par des liaisons hydrogène .

Ce qui rend la molécule d'eau unique en son genre, c'est de pouvoir établir autour d'elle un grand nombre de ces liaison s fjusqu'à quatre par molécule).

UNE TEM PtRAT URE DE FUSION ET D 'taUL LITION ANOR MALE M ENT tLEvt ES L'eau bout à 100 •c et gèle à o •c à la pression atmosphérique.

Ces propriétés que nous connaissons bien sont tout à fait anormales ! En effet, prenons par exemple le méthane (CH4} qui brûle dans nos cuisinières : sa masse moléculaire est voisine de celle de l'eau et pourtant ce composé est gazeux à très basse température.

Pourquoi une telle différence avec la molécule d'eau? Dans le méthane liquide, les molécules sont très peu liées entre elles et il suffit d'une petite agitation thermique pour que les molécules se détachent et forment de la vapeur.

Dans le cas de l'eau il y a la liaison hydrogène , suffisamment solide pour « empêcher » les molécules de se séparer.

Sans elle, la température d'ébullition de l'eau serait voisine de -80 •c et il ne devrait y avoir ni eau liquide ni glace sur notre planète! Un autre exemple pratique en rapport avec les propriétés atypiques de l'eau est le salage des route s en hiver .

Le salage permet d'abaisser la température de fusion de l'eau, donc de retarder la formation de glace sur les chaussées et les trottoirs .

La saumure (solution saturée de sel) gèle en effet à -21 •c.

Au sein de cette solution, les ions chlorure et sodium sont entourés de molécules d'eau et s'opposent à la formation de certaines des liaisons hydrogène habituellement présentes dans l'eau la température d'un corps , il faut faire vibrer les molécule s et casser les liaisons existantes.

Or la liaison hydrogène est plus solide que les autres liaisons intermoléculaires classiques, et est donc plus difficile à casser .

L'eau a par conséquent une grande capacité calorifique, appelée aussi inertie thermique : elle peut emmagasiner , transporter et restituer une quantité de chaleur importante.

Ces propriétés sont utilisées pour faire fonctionner nos radiateurs , mais aussi des installations industrielles complexes comme les centrales nucl éaires où l'eau transporte l'énergie du cœur du réacteur aux turbines , permettant ainsi la conversion de l'énergie nucl éaire en électricité .

À l'ère de la recherche de méthode permettant l'extraction de l'eau contenue dans la croûte terrestre pour chauffer les habitations ou produire de l'électricité .

Par ailleurs, l'inert ie thermique de l'eau joue un rôle fondamental dans la régulation thermiqu e de la T erre.

Les océans sont en effet de grands réservoirs qui stockent la chaleur le jour et la restituent la nuit, en modifiant peu leur température .

De plus, les courants marin s sont capables de transporter la chaleur sur de longues distances (des tropique s vers les hautes latitudes) et contribuent alors à réguler les températures atmosphériques à l'échelle de notre planète .

UNE GLAC E TRÈ S LtGhE ET VOLUMINEUSE Dans la p lupart des substances, l'état liquide est moins dense que l'état solide.

En effet, lorsque la température (c'est-à-dire l'agitation thermique) augmente, les molécules sont de moins r-----~"1 en moins liées , l'espace entre celles-ci s'accroit , la matière est alors moins compacte.

Mais l'eau fait une fois de plus figure d'exce ption :la glace flotte sur l'eau liquide et occupe un volume plus important.

L'explication se trouve encore du côté de la liaison hydrogène .

Dans l'eau liquide, l'agita tion thermique permet à cette liaison de se tordre et de favoriser le rapprochement et l 'enchevêtrement des molécules d'eau .

Le volume « moyen » occupé par chacune des molécules diminue.

Ainsi , contre toute attente, lorsque la température augmente, l'eau se densifie ! Et inversement, l'eau est moins compacte lorsque la température diminue : dans la glace, la liaison hydrogène est rigide, la structure cristalline est figée .

Les molécules d'eau sont plus distantes les unes des autres et occupent donc un volume plus important.

Ce comportement sing ulier est à l'origine de plusieurs phénomènes plus ou moins agréables de notre vie quotidienne , comme la rupture des canalisations en hiver, l'éclatement d'une bouteille oubliée au congélateur, ou bien les glaçons flottant dans notre menthe à l'eau ! Par ailleurs, ceci explique les icebergs qui dérivent sur les océans, et ce pour le plus grand bonheur de l 'humanit é.

En effet, si la glace était plus lourde que l'eau , elle tomberait au fond des océans et la surface gèlerait de nouveau.

Lors des grandes périodes de glaciation, l'eau de notre planète aurait alors gelé , ralentissant ou peut-être même annihilant la vie sur Terr e .

LE PHtN OMÈNE DE SURFUSIO N Ce phénomène intervient à la pression atmosphérique et en-dessous de 0 •c.

Pour ces températures, nous savo ns que l'eau se transforme en glace.

Il est possible cependant de conserver une eau hautement purifiée sous forme liquide jusqu'à -40 •c ! Beaucoup de scientifiques s'y essayent afin de mieux comprendre les mécanismes de la liaison hydrogène de la phase liquide.

Cette liaison est en effet plus stable aux faibles températures , donc plus facilement analysable .

À ces températures, l'eau est un fluide visqueux qui ne demande qu'à cristalliser en glace autour du moindre germe.

Il est donc nécessaire de débarrasser l 'eau de toutes ses impuretés pour observer un t e l comportement.

QUELQUES CURIOSITÉS POURQUOI LA MER EST-ELLE BLEUE ? Reflet du ciel? Illusion d'optique? L'eau d 'une rivière ou de notre verre nous apparaît transparente .

La couleur de la mer ne semble donc pas être due aux propriétés de l'eau.

Et pourtant si ! La lumière du soleil , qui comporte toutes les teintes de l 'arc-en -ciel, agit sur les molécules d 'eau en les faisant vibrer , mais seulement à une fréquence bien définie.

Ainsi , l'eau absorbe uniquement la partie rouge du spectre de la lumière et réfléchit la partie bleue , qui est alors captée par notre œil.

Cepend ant, l'eau ne réfléchit que très peu de rayonnements bleus , c'est pour cela que dans de faibles quantités elle nous apparaît transparente .

Par contre, l'intensité de la couleur bleue augmen t e avec l'épaisseur de la quantité d'eau .

COMME NT EX PLIQUER LA DIVERSrrt DE LA FORM E DES FLOCON S DE NEIG E ? La natur e nous émerveille avec la beauté des flocons de neige et leur diversité .

Aucun flocon ne ressemble en effet à un autre ! Quelle est l'histoire d 'un flocon ? Il naît dans un nuage autour d'une poussière qui va servir de germe à sa croissance .

Le petit cristal de glace est tout d'abord presque sphérique avec des contours irréguliers.

Sous l'effet de l'attraction terrestre , il chemine vers le sol en rencontrant des couches atmosphériques de tempéra tures et d'humidités différentes.

C'est la diversité des conditions qu'il rencontre qui est à l'origine de la variété des formes.

Au cours de son périple , il attire les molécules d'eau environnantes qui se déposent préférentiellement sur ses aspérités .

Pour qu'il y ait croissance sous forme de branches (dend rites) , il faut que l'atmosphère soit saturée en vapeur d'eau.

Les molécules n'ont alors pas le temps de diffuser sur le flocon et cristallisent là où elles se sont dépo sées en premier lieu, c'est-à-dire les aspérités, qui devienn ent petit à petit des arêtes.

De nouv elles aspérités apparaissent ensuite sur ces arêtes et continuent alors le processus de croissance.

Qu 'EST-C E QUE L'EAU LOURDE ? Existe-t-il une eau plus lourde qu'une autre? Oui, mais en très faible quantité , les eaux naturelles ne contenant qu'env ir on 0,015% d 'eau lourde.

La différence entre l'eau« classique » et cette eau hors du commun se trouve au cœur de la molécule .

La molécule d'eau lourde est en effet composée d'un atome d'oxygène et de deux faux-jumeaux de l'atome d'hydrogène , c'est-à-dire plus précisement d 'un isotope de l'hydrogène appelé deutérium .

Ce deutérium , dont le noyau est doté d'un neutron supplémentaire , augmente la densité de l'eau d'environ 10 %.

L'eau lourde, trop rare à l'état naturel, est fabriquée industriellement la propri été de ralentir les neutrons sans trop les absorber , ce qui permet ainsi d'optimiser la réaction en chaine .. »