les propriétés de l'eau

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En savoir plus Les propriétés de l’eau L’eau est amorphe Elle n’a pas de forme précise. Elle prend celle du récipient qui la contient. Seule exception : la goutte d’eau. Posée sur une surface, elle est ronde. Plus la surface sur laquelle se forme la goutte d’eau est plate, plus la goutte est grande. Elle peut atteindre 4 mm !

L’eau est transparente Observée en petite quantité, l’eau est incolore et transparente. Dans l’océan, quand son épaisseur est importante, elle devient bleue. Elle perçoit la lumière du soleil, en absorbe les rayons rouges et ne renvoie que les bleus.

L’eau change d’état selon la température En dessous de 0 degré, l’eau se change en cristaux plus ou moins durs (glace ou neige). Portée à ébullition (l’eau bout à 100 degrés), l’eau s’évapore et devient de la vapeur d’eau.

Un peu de chimie La formule chimique de l’eau s’écrit H2O. Une molécule d’eau se compose de 1 atome d’oxygène.

Cette formule a été découverte à la fin du XVIIIe siècle par les savants Cavendish et Lavoisier.

L’eau est donc un élément qui provient de la liaison dans certaines conditions de température et de pression, de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène.

L’eau travaille Elle est une source d’énergie.

Les moulins à eau utilisent la force de l’eau.

En coulant, la rivière pousse les aubes d’une roue.

La roue qui tourne actionne deux énormes pierres plates à l’intérieur du moulin. Autrefois, ces moulins servaient à moudre le blé pour faire de la farine.

La tension de surface Cette tension de surface est assez forte pour supporter le poids de certains insectes.

L’araignée d’eau (ou gerris) étend ses pattes pour répartir son poids sur un maximum de surface.

H2O, la molécule d’eau Rappelons que la molécule est le plus petit fragment « possible» d’un corps donné. Elle conserve donc toutes les propriétés physiques et chimiques de celui- ci. Ainsi, en ce qui concerne l’eau, atteint- on par divisions successives ce «grain» ultime : la molécule d’eau.

Celle-ci a une dimension de l’ordre de 0,0000000001 mètre, soit 0,00000001 cm.

La molécule n’est pas une boule. Sa forme ressemble à une tête de Mickey.

Les deux petites «boules» sont des atomes d’hydrogène, la plus grosse est un atome d’oxygène.

Ces atomes sont liés entre eux par des forces électrostatiques importantes.

(Source : CNRS)

La structure de la molécule d’eau Ce n’est que tardivement que la composition de l’eau fut découverte par le physicien anglais Cavendish, à la fin du XVIIIe siècle. Cavendish réussit à démontrer que l’eau était formée d’hydrogène et d’oxygène.

A la même époque, en France, Lavoisier réussissait l’opération inverse : faire de l’eau à partir de ces deux éléments.

Chacun sait aujourd’hui que la molécule d’eau est composée de deux atomes d’hydrogène qui entourent un atome d’oxygène.

La formule chimique de l’eau est donc H2O. Chaque molécule d’eau possède deux pôles chargés électriquement : un pôle chargé positivement du côté des atomes d’hydrogène et un pôle chargé négativement du côté des atomes d’oxygène.

Dans une molécule d’eau, les deux atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène complètent leurs couches d’électrons en mettant ceux-ci en commun.

Chaque atome d’hydrogène, avec un électron seulement en orbite autour de son noyau, a besoin d’un électron supplémentaire pour atteindre un état stable. L’atome d’oxygène avec ses six électrons sur la couche externe, en a besoin de deux autres pour compléter celle-ci. Lorsque ces trois atomes instables mettent en commun leurs électrons, ils forment une molécule d’eau stable.

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La liaison hydrogène Chaque goutte d’eau contient plusieurs milliards de molécules d’eau, reliées les unes aux autres par leurs pôles, chargés électriquement : un pôle chargé négativement (l’atome d’oxygène) et un pôle chargé positivement (les atomes d’hydrogène).

En présence les unes des autres, les molécules vont se comporter comme de petits aimants : leurs pôles électriques positifs et négatifs s’attirent réciproquement et les molécules se rapprochent afin que chaque atome d’hydrogène (positif)de l’une se place près de l’oxygène (négatif) d’une voisine.

Les molécules d’eau sont alors liées par ce que l’on appelle une liaison hydrogène, cette liaison étant assurée par les atomes d’hydrogène. Ainsi, l’eau n’est pas un liquide ordinaire : au sein d’une même masse d’eau, la plupart des molécules sont liées entre elles en une sorte de réseau sans cesse changeant et modulable d’une fraction de seconde à l’autre. En effet, si l’union à l’intérieur même d’une molécule, est très stable, il n’est est pas de même en ce qui concerne les liens entre les molécules.

Ces dernières sont à la fois très proches et très libres, elles se lient entre elles et se défont tout aussi rapidement, elles «roulent» les unes sur les autres, changeant sans cesse leur ordonnancement.

Cette liaison hydrogène est donc plus faible que celle qui soude entre eux les trois atomes de la molécule, mais cependant suffisamment forte pour expliquer les propriétés exceptionnelles de l’eau. Dans l’eau, les molécules H20 ont une telle attirance électrique les unes pour les autres qu’il arrive qu’un atome d’hydrogène de l’une soit capté par l’atome d’oxygène de l’autre. Cet échange transforme les deux molécules H2O de départ en H3O et OH ; le nombre d’atomes et de charges électriques + et – n’est plus le même de chaque côté : d’un côté on trouve OH- et de l’autre H3O+. Ces molécules modifiées s’appellent des ions et leurs propriétés s’annulent : l’eau est électriquement neutre.

Propriétés chimiques de l’eau L’ eau est une substance qui a une forte propension à dissoudre d’autres éléments.

De ce fait, elle peut attaquer les parois d’un récipient qui la contient, sculpter des paysages. Elle peut aussi dissoudre des gaz présents dans l’air comme le gaz carbonique ou l’oxygène (oxygène dissous). Par exemple, l’eau contenue dans le corps humain sert de support à la multitude de réactions et d’échanges qui sont nécessaires à la vie.

L’eau vraiment pure n’existe pas. La définition même

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de l’eau pure diffère suivant les usages que l’on veut en faire. Ainsi, un buveur d’eau n’aura pas les mêmes critères d’appréciation qu’un chimiste sur la qualité de l’eau. Le premier voudra une eau débarrassée des germes mais pas des sels minéraux sans laquelle elle serait imbuvable. Le second cherchera avant tout à la débarrasser de ses cations et de ses anions, mais ne se préoccupera pas, en revanche, de la présence de matières organiques.

La première opération chimique réalisable avec l’eau est sa dissociation en protons H+ et en ions hydroxyles OH-. La répartition entre les deux se mesure avec le pH (potentiel hydrogène). L’échelle va de 0 à 14 : plus on se rapproche de 0, plus l’eau est acide, plus on se rapproche de 14, plus elle est basique. L’eau est neutre lorsque son pH est à 7.

L’eau joue un rôle très important dans toutes les réactions chimiques qui impliquent des matières chargées électriquement.

Outre ses qualités chimiques propres, l’eau est un excellent véhicule, notamment pour les agents agressifs comme les acides ou le gaz carbonique.

Le gaz carbonique, dans l’eau, se transforme en un acide faible qui, par la suite dissout, entre autres, le calcaire. Cependant, une élévation de température ou une aération de l’eau reprécipite le calcaire sous forme de tartre. De la même façon, l’eau des océans régule la teneur en gaz carbonique de l’atmosphère.

Remarque : L’eau pure est rarement présente dans le milieu naturel. En effet, la molécule d’eau peut dissoudre et entraîner de multiples éléments comme les sucres et les sels minéraux (calcium, magnésium, sodium, potassium, …) essentiels à la vie végétale. Elle peut dissoudre également des substances toxiques comme le plomb, les nitrates, les pesticides … qui la polluent.

Propriétés physiques de l’eau En dehors de ses propriétés chimiques, l’eau a aussi de nombreuses propriétés physiques assez particulières.

Le principe de Pascal L’eau ne peut pas se comprimer, ni augmenter de volume, c’est le principe de Pascal. Si on lui fait subir une pression, elle va retransmettre cette pression subie. Or la pression d’une masse liquide est la même sur tous ses points d’application.

C’est sur la base de ce principe que fonctionnent des appareils tels que les presses hydrauliques ou les systèmes de freinage hydrauliques.

Le principe d’Archimède Une autre de ses propriétés est expliquée par

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le principe d’Archimède, qui peut s’énoncer ainsi : «Tout corps plongé dans un liquide subit une poussée vers le haut équivalente au poids du liquide qu’il déplace».

Ce principe se fonde sur la réalité de la pression hydrostatique : la masse d’un corps est neutralisée par une poussée hydrostatique vers le haut.

La poussée hydrostatique est toujours égale au poids de l’eau déplacée par le corps. Si le corps est plus dense que l’eau, il coule; s’il est moins dense, il flotte; si sa densité est la même, le corps reste flottant à n’importe quelle profondeur.

L’application la plus courante de cette propriété est la flottaison des bateaux assurant les transports maritimes et fluviaux.

Autres propriétés Une des propriétés physiques les plus particulières de l’eau est que, lorsqu’elle gèle dans les lacs, les rivières..., elle ne commence pas à geler par le fond mais par la surface. Ceci est dû au fait que la glace est plus légère que l’eau. En effet, l’eau augmente de volume en se solidifiant, sa densité va donc être moindre. La densité est le rapport de la masse par rapport au volume : • densité de la glace : 0,920 g/cm3 • densité de l’eau : 0, 997 g/ cm3.

Ainsi, la glace va flotter à la surface de l’eau.

On peut observer ce phénomène simplement en mettant des glaçons dans un verre d’eau, on constatera que les glaçons remontent automatiquement vers la surface.

Le coefficient de compressibilité isotherme est petit mais cependant suffisant pour abaisser le niveau des mers de 40 mètres. En conséquence lorsqu’il y a de grandes décompressions atmosphériques, liées à des tempêtes, le niveau des mers remonte.

La tension superficielle est aussi très élevée, ce qui permet à l’eau de s’insérer partout, dans les crevasses, les rochers... et ainsi, lorsqu’elle gèle, de faire éclater les rochers. L’eau tient une part importante dans le modelage de nos paysages.

Propriétés thermodynamiques de l’eau Les propriétés thermodynamiques de l’eau sont très utilisées dans la vie courante.

L’eau, un fournisseur d’énergie Les propriétés thermodynamiques de l’eau ont commencé à être utilisées de façon empirique bien avant d’être démontrées de façon scientifique.

L’énergie mécanique fournie par l’eau a été utilisée pour faire tourner les roues à eau, les moulins...

Puis on va se servir de l’énergie fournie par

les propriétés thermiques de l’eau. Ainsi la machine à vapeur, créée par Watt en 1769, utilise l’énergie fournie par la transformation vapeur en eau, sous l’action combinée de la chaleur et de la pression.

Les premiers trains à vapeur utilisaient ce système.

Les variations de température de l’eau L’eau change d’état à une température qui dépend de la pression. L’eau se solidifie à 0 °C et devient vapeur à 100 °C. Cependant, la pression peut modifier ce rapport.

Ainsi en haut de l’Everest, l’eau bout à 72 °C, la température d’ébullition décroissant avec la pression.

C’est également ce qui permet aux patineurs de glisser sur la glace. En réalité, ils glissent sur une fine pellicule d’eau formée sous la pression du patin. Cette fine pellicule se solidifie immédiatement après le passage du patin.

En revanche, l’eau peut rester liquide à des températures inférieures à celles auxquelles elle gèle habituellement, jusqu’à - 40 °C : c’est ce que l’on appelle le phénomène de «surfusion». Ceci est dû au fait qu’il faut souvent un petit corps solide ou une bactérie pour commencer ce processus de solidification.

C’est ce procédé qui est appliqué pour la fabrication de la neige artificielle dans les stations de sports d’hiver.

L’eau, un très bon conducteur L’eau est également un conducteur, propriété souvent utilisée, notamment pour le transport d’énergie.

Par exemple, l’eau a une très bonne conductivité thermique, à peu près quatre fois supérieure à celle des autres liquides. La principale application de cette propriété est domestique, c’est le chauffage central.

L’eau est un mauvais conducteur électrique lorsqu’elle est pure, mais lorsqu’elle est minéralisée, qu’elle contient des sels dissous, elle devient conductrice de l’électricité. C’est pour cette raison que l’installation de prises électriques dans les salles de bain est strictement réglementée en raison des risques d’électrocution que cela peut provoquer.

La chaleur spécifique de l’eau est une autre de ses propriétés. L’eau peut emmagasiner de grandes quantités d’énergie, et peut ainsi fortement influer sur les écarts de température terrestre. C’est pour cela que les climats dits «continentaux» connaissent des écarts de température bien plus importants que les climats océaniques, ces derniers étant adoucis par l’influence des océans.

Les trois états de l’eau

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L’eau existe sous ses trois états dans la nature: état gazeux (vapeur d’eau dans l’atmosphère), état liquide (eaux souterraines, rivières, lacs), état solide (glaciers, calotte glacière).

L’eau, sous l’action conjuguée de la chaleur (du soleil) et de la pression (atmosphérique), change d’état, passant de celui de vapeur à l’état solide ou liquide.

Lorsque l’eau s’évapore elle se retrouve dans l’atmosphère sous son état gazeux: la vapeur d’eau.

La vapeur d’eau, en s’élevant dans l’atmosphère se refroidit et se liquéfie : c’est la condensation.

Cette condensation est à l’origine de la formation des nuages qui sont un amoncellement de fines gouttelettes. Lorsque les gouttelettes s’agglomèrent les unes aux autres, leur poids augmente et tombent sous forme de précipitation: pluie. L’eau contenue dans les nuages peut se solidifier (solidification) et retomber sur terre sous sa forme solide: la grêle.

Note: Lorsque l’eau passe de l’état de vapeur à l’état solide elle se transforme en neige.

NB : Le brouillard est composé de fines gouttelettes d’eau.

Ce n’est pas de la vapeur d’eau. La vapeur d’eau ne peut pas se voir.

1-L’état de vapeur (état gazeux) Le phénomène d’évaporation de l’eau, c’est à dire le passage de l’eau de l’état liquide à l’état de vapeur est très important. L’eau, en se transformant en vapeur, passe à l’état gazeux qui est celui du désordre maximal des molécules, ces dernières sont tellement agitées que les forces d’attraction terrestre s’exercent de façon beaucoup moins forte.

Ce phénomène se produit à partir des plans d’eau, des sols humides, mais aussi dans ce qu’on appelle l’évapotranspiration, par l’intermédiaire de l’extraction racinaire de l’eau du sol et ensuite par la transpiration de cette eau par les feuilles des plantes.

L’eau évaporée va transiter dans l’atmosphère sous forme de vapeur invisible où elle reste pendant huit jours en moyenne. Puis l’eau va former des nuages qui vont retomber en pluie sur les continents et les océans. Le cycle de l’eau dans l’atmosphère sous forme de vapeur est assez court mais cependant vital car c’est la vapeur d’eau qui est à l’origine des 520 km3 de précipitations que ce soit sous la forme de pluie, de neige ou de grêle, qui alimentent les réserves d’eau douce.

Par rapport à la masse totale de l’hydrosphère, la vapeur d’eau ne représente qu’une toute petite quantité puisqu’elle est égale à 0,001 % de la totalité de l’eau.

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2-L’état liquide ⇒ C’est la forme de l’eau la plus répandue sur Terre.

Il y a d’une part l’eau douce qui représente seulement 2,8 % de l’eau totale du globe. Dans ce faible pourcentage, les glaces polaires représentent 2,15 %, les eaux souterraines 0,63 %, les eaux de surface (lacs, fleuves et rivières) seulement 0,019 %. Reste 0,001 % pour l’atmosphère. L’eau douce contenue dans les glaciers est cependant très difficilement accessible à l’homme.

Le reste, c’est à dire l’eau salée, est contenu dans les mers et des océans. Ces derniers représentent 90 % de l’hydrosphère et couvrent plus de 71 % de la surface terrestre.

3-L’état solide Une partie des 2,8 % d’eau douce, soit un volume de 30 100 000 km3, est stockée sous forme de glaciers ou sous forme de neige, soit 2,15 % de l’eau sur terre.

En fonction de l’altitude et de la température, les précipitations se font sous forme de neige ou de pluie. La neige est seulement un stockage temporaire appelé à disparaître lors du redoux.

Lorsque la température remonte, soit la neige retourne directement vers l’atmosphère par évaporation, c’est de la sublimation, soit la fonte lente du manteau neigeux va permettre à l’eau de s’infiltrer dans le sol ou de ruisseler vers les rivières.

Les glaciers représentent actuellement 10 % des terres émergées, ils sont surtout présents aux pôles. Les calottes glaciaires des pôles Nord et Sud sont les plus grands réservoirs d’eau douce de la planète. Les glaciers sont alimentés en surface par la neige. Ils ne sont pas immobiles mais s’écoulent lentement, emportés par leur propre poids, versl’aval. Suivant le type de glaciers, leurvitesse de déplacement peut atteindre un mètre par jour ou par an. La masse des glaciers est très importante et, s’ils devaient fondre, le niveau des mers remonterait de près de deux cents mètres.

De l’état liquide à l’état gazeux • Quand l’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux c’est la vaporisation ou évaporation.

• L’eau à l’état liquide passe à l’état gazeux par une ébullition.

• Le contraire de ce phénomène s’appelle la condensation ou liquéfaction.

• L’eau à l’état gazeux passe à l’état liquide par un refroidissement.

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De l’état solide à l’état liquide • Quand l’eau passe de l’état solide à l’état liquide c’est la fusion ou fonte.

• L’eau à l’état solide passe à l’état liquide par un réchauffement.

• Le contraire de ce phénomène s’appelle la solidification.

• L’eau à l’état liquide passe à l’état solide par un refroidissement.

De l’état solide à l’état gazeux • Quand l’eau passe de l’état solide à l’état gazeux, c’est la sublimation.

• L’eau à l’état solide passe à l’état gazeux par un réchauffement.

• Le contraire de ce phénomène s’appelle la condensation en solide.

• L’eau à l’état gazeux passe à l’état liquide par un refroidissement.

• Quand l’eau passe d’un état à un autre cela s’appelle un changement d’état.

(Source : http://www.sagep.fr)

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