Sciences · Chimie
L’eau (H₂O)
L’eau est une molécule formée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène (H₂O). Coudée et polaire, elle forme des liaisons hydrogène qui lui donnent des propriétés uniques, essentielles à la vie.
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L’eau recouvre environ 71 % de la surface de la Terre et représente environ 60 % de la masse d’un adulte. C’est pourtant une substance chimiquement étrange : par rapport aux molécules de taille comparable, elle bout beaucoup trop haut, sa forme solide flotte sur sa forme liquide et elle dissout un nombre exceptionnel de substances. Toutes ces singularités découlent de la forme de sa molécule.
La molécule d’eau
- Un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène par des liaisons covalentes simples (longueur ≈ 96 pm).
- La molécule est coudée, avec un angle H–O–H de 104,5°, car l’oxygène porte aussi deux doublets d’électrons non liants.
- L’oxygène, bien plus électronégatif que l’hydrogène, attire les électrons : il porte une charge partielle négative (δ−), les hydrogènes une charge partielle positive (δ+). La molécule est donc polaire : c’est un petit dipôle électrique.
Les liaisons hydrogène
Chaque molécule d’eau peut former jusqu’à quatre liaisons hydrogène avec ses voisines (deux par ses hydrogènes, deux par les doublets de l’oxygène). Ces liaisons, environ vingt fois plus faibles qu’une liaison covalente, se font et se défont sans cesse dans le liquide, des milliards de fois par seconde. Elles sont la clé des propriétés de l’eau (voir les liaisons chimiques).
Composition et histoire
Jusqu’au XVIIIe siècle, l’eau était considérée comme un élément, l’un des quatre d’Aristote avec la terre, l’air et le feu. En 1781, Henry Cavendish observe que la combustion de l'« air inflammable » (dihydrogène) produit de l’eau. En 1783, Antoine Lavoisier et Pierre-Simon de Laplace réalisent sa synthèse et Lavoisier en tire la conclusion qu’elle est un composé d’hydrogène et d’oxygène ; il la décompose ensuite. L’électrolyse de l’eau par Nicholson et Carlisle (1800) le confirme.
Les propriétés physiques
| Propriété | Valeur | Remarque |
|---|---|---|
| Température de fusion (1 atm) | 0 °C | |
| Température d’ébullition (1 atm) | 100 °C | Anormalement haute : H₂S, plus lourde, bout à −60 °C |
| Masse volumique maximale | 1 000 kg/m³ (0,999 97 g/cm³) à 3,98 °C | Anomalie de dilatation |
| Masse volumique de la glace | ≈ 917 kg/m³ | La glace flotte |
| Capacité thermique massique | 4 186 J/(kg·K) | L’une des plus élevées des liquides |
| Chaleur latente de vaporisation | 2 257 kJ/kg à 100 °C | Très élevée |
| Chaleur latente de fusion | 334 kJ/kg | |
| Tension superficielle | 72 mN/m à 25 °C | La plus élevée des liquides courants après le mercure |
| pH de l’eau pure | 7 à 25 °C | Voir acides et bases |
| Point triple | 0,01 °C et 611,657 Pa |
Les anomalies de l’eau et leurs conséquences
La glace flotte
Presque toutes les substances sont plus denses à l’état solide qu’à l’état liquide. Pas l’eau : en gelant, les liaisons hydrogène imposent un réseau hexagonal ouvert, qui occupe environ 9 % de volume en plus. La glace flotte donc, avec environ 90 % de son volume sous la surface (d’où l’expression « partie émergée de l’iceberg »).
Conséquences :
- les lacs gèlent par la surface ; la couche de glace isole l’eau en dessous, ce qui permet à la vie aquatique de survivre à l’hiver ;
- une bouteille d’eau pleine éclate au congélateur ; l’eau qui gèle dans les fissures fait éclater les roches (gélifraction).
Le maximum de densité à 4 °C
Entre 0 et 4 °C, l’eau liquide se contracte en se réchauffant. Le fond des lacs profonds reste donc souvent vers 4 °C en hiver.
Une forte capacité thermique
Il faut beaucoup d’énergie pour réchauffer l’eau : 4 186 J pour élever 1 kg de 1 °C, contre environ 1 000 J pour l’air et 450 J pour le fer. Les océans stockent ainsi d’énormes quantités de chaleur et adoucissent les climats côtiers ; ils ont absorbé la plus grande partie de l’excédent de chaleur dû au réchauffement climatique. Le corps humain, riche en eau, maintient facilement sa température. L’évaporation de la sueur, qui consomme beaucoup d’énergie, nous refroidit efficacement.
Le « solvant universel »
Grâce à sa polarité, l’eau dissout très bien les composés ioniques (sels) et les molécules polaires (sucres, alcools) : ses molécules entourent chaque ion et l’isolent de ses voisins. Elle transporte ainsi les nutriments dans la sève et le sang. Elle ne dissout pas les substances apolaires (huiles, graisses), qui s’en séparent.
Tension superficielle et capillarité
Les molécules de surface, attirées vers l’intérieur, forment une sorte de « peau » qui permet aux gerris de marcher sur l’eau et aux gouttes de rester sphériques. La capillarité fait monter l’eau dans les tubes fins et les tissus des plantes.
L’eau sur Terre
| Réservoir | Part de l’eau totale (environ) |
|---|---|
| Océans et mers | 96,5 % |
| Glaciers et calottes polaires | 1,7 % |
| Eaux souterraines | 1,7 % |
| Lacs, rivières, sols, atmosphère, êtres vivants | moins de 0,1 % |
Le volume total est d’environ 1,4 milliard de km³. L’eau douce ne représente qu’environ 2,5 % de ce total, dont la majeure partie est gelée ou souterraine.
Eau pure, eau potable, eau minérale
- Eau pure (ou distillée) : uniquement des molécules H₂O, avec une infime proportion d’ions H₃O⁺ et OH⁻. Elle conduit très mal l’électricité.
- Eau potable : eau propre à la consommation, qui contient des sels minéraux dissous (calcium, magnésium, sodium, bicarbonates) et respecte des limites réglementaires de qualité.
- Eau minérale naturelle : eau d’origine souterraine, de composition stable, aux propriétés reconnues.
- Eau dure : riche en ions calcium et magnésium ; elle forme du calcaire (carbonate de calcium) en chauffant.
- Eau lourde (D₂O) : les atomes d’hydrogène y sont remplacés par du deutérium ; elle est environ 11 % plus dense et sert de modérateur dans certains réacteurs nucléaires.
Questions fréquentes
Pourquoi la formule de l’eau est-elle H₂O ?
Parce que l’oxygène possède six électrons de valence et doit former deux liaisons covalentes pour atteindre l’octet, tandis que chaque hydrogène n’en forme qu’une. Il faut donc deux hydrogènes par oxygène.
Pourquoi la glace flotte-t-elle ?
En gelant, les molécules d’eau s’organisent en un réseau hexagonal ouvert, maintenu par les liaisons hydrogène. La glace est ainsi environ 9 % moins dense que l’eau liquide.
L’eau pure conduit-elle l’électricité ?
Très mal. Ce sont les ions dissous (sels minéraux) qui rendent l’eau du robinet ou l’eau de mer conductrices. L’eau ordinaire est donc dangereuse au contact d’appareils électriques.
À quelle température l’eau bout-elle en montagne ?
Plus bas qu’au niveau de la mer, car la pression atmosphérique est plus faible : environ 90 °C vers 3 000 m d’altitude et environ 70 °C au sommet de l’Everest. Voir les états de la matière.