Un
peu de science ….
La
composition chimique de l'eau
La
formule chimique de la molécule d'eau est H2O. Le volume d'hydrogène étant le
double de celui d'oxygène : la molécule est composée de deux atomes d'hydrogène
et d'un atome d'oxygène. Dans la molécule H2O, chaque atome d'hydrogène est lié
à l'atome d'oxygène par une liaison dite «covalente »,
c'est-à-dire qu'une paire d'électrons est mise en commun, ce qui confère une
très grande stabilité à la molécule.
Une
propriété chimique remarquable : l'eau solvant
Une
autre propriété remarquable de l'eau est de dissoudre, dans le milieu naturel
et dans d'autres milieux, et de laisser entrer en réaction sans en être
transformée chimiquement, le plus grand nombre de substances minérales,
organiques ou gazeuses.
Base
structurale des êtres vivants, condition nécessaire de leur métabolisme, l'eau
rassemblée dans les océans, les mers, les lacs, les rivières, les étangs, les
mares, les nappes souterraines n'est pas un milieu stérile : y vivent une
multitude d'organismes, plantes, animaux, bactéries, une flore et une faune qui
contribuent, par leurs fonctions vitales, à diversifier presque à l'infini la
qualité des milieux aquatiques naturels.
C’est un liquide très cohésif : ses températures de cristallisation et
d’ébullition sont très élevées pour un liquide qui n’est ni ionique, ni métallique,
et dont la masse molaire est faible. Cette cohésion est assurée par les
liaisons hydrogène entre molécules d’eau ; l’eau fait ainsi partie d’un petit
groupe de liquides qu’on appelle liquides associés. Cependant, parmi ces
liquides, la cohésion de l’eau est remarquable, et elle se traduit par une
chaleur spécifique énorme. Cette résistance aux variations de température a des
conséquences climatiques importantes, puisque la capacité calorifique des
océans leur fait jouer le rôle de régulateurs thermiques du climat. L’eau est
aussi un liquide très cohésif d’un point de vue diélectrique : sa constante
diélectrique est bien plus élevée que celle qu’on attendrait sur la base de la
valeur du moment dipolaire de la molécule isolée.
C’est aussi, dans les conditions usuelles de température et de pression, un
liquide peu dense : les atomes y occupent moins de la moitié du volume total ;
une grande partie du volume de l’eau liquide est donc formée de cavités. Le
volume occupé par ces cavités varie de manière tout à fait anormale à basse
température. D’abord, l’eau se dilate quand on la refroidit en dessous d’une
température appelée température du maximum de densité. Ensuite, l’eau se dilate
encore de 9 % en cristallisant, contrairement à la plupart des liquides, qui se
contractent d’environ 10 % en cristallisant. Cette augmentation de volume, qui
fait flotter la glace sur l’eau, a des conséquences environnementales
considérables : si la glace était plus dense que l’eau liquide, toute la glace
formée dans les régions arctiques coulerait au fond des océans au lieu de
former une banquise qui les isole thermiquement des températures extérieures,
et la production de glace continuerait jusqu’à congélation complète de ces
océans.
Pour presque tous les liquides, l’application d’une pression réduit la fluidité
et favorise le solide par rapport au liquide. Au contraire, pour l’eau à basse
température, l’application d’une pression accroît la fluidité et favorise le
liquide par rapport à la glace. Cet effet anormal de la pression permet à l’eau
de rester fluide lorqu’elle est confinée dans des pores ou des films
nanométriques, contrairement aux autres liquides qui se solidifient sous
l’effet des pressions de confinement. Cette persistance de l’état fluide est
capitale pour le fonctionnement des cellules biologiques : en effet, de
nombreux processus requièrent le déplacement de couches d’hydratation avant le
contact entre macromolécules, ou avant le passage d’un ligand vers son
récepteur. De même le passage des ions à travers les canaux qui traversent les
membranes des cellules n’est possible que grâce à l’état fluide de l’eau
confinée dans ces canaux.
Les théories anciennes attribuaient toutes ces anomalies au fait que les molécules
d’eau sont liées par des liaisons H. En ce sens, l’eau devrait avoir des
propriétés « en ligne » avec celles d’autres liquides associés (éthanol,
glycols, amides). Pour les propriétés de cohésion, c’est une bonne hypothèse de
départ – bien que les propriétés de l’eau (densité d’énergie cohésive,
constante diélectrique) soient supérieures à celles des liquides comparables.
Pour les autres propriétés, cette hypothèse n’est pas suffisante : les autres
liquides associés ne partagent pas les propriétés volumiques anormales de
l’eau, ni son polymorphisme, ni son comportement comme solvant.
Certains liquides ont un comportement qui ressemble à celui de l’eau pour une
de ses propriétés : par exemple, on connaît quelques liquides qui se dilatent à
basse température, ou en cristallisant. Nous découvrirons peut-être un jour que
chacune des propriétés anormales de l’eau existe aussi dans un autre liquide.
Cependant il est remarquable qu’un seul liquide rassemble autant d’anomalies.
Il y a donc un besoin d’explication, auquel ne répondent pas les théories
développées pour les liquides simples.
Comment les molécules d'eau sont-elles liées entre elle?
Les atomes d'hydrogène sont attirés vers d'autres atomes tels que
les atomes d'oxygène, car ses électrons sont attirés par l'atome d'oxygène,
celui-ci ayant une plus grande force d'attraction vis à vis des électrons. Par
conséquent l'atome d'oxygène a une charge partielle légèrement négative et les
atomes d'hydrogène ont une charge partielle légèrement positive. Les atomes
d'hydrogène avec une légère charge positive sont alors attirés par les atomes
d'oxygène chargés légèrement négativement appartenant à d'autres molécules
d'eau. Ces forces d'attraction s'appellent les liaisons hydrogène. Du fait de
ces forces entre les atomes d'hydrogène et de d'oxygène, le point d'ébullition
de l'eau est nettement plus élevé que celui auquel on s'attend si on regarde
les points d'ébulltion des molécule de même masse.
Des liaisons hydrogène peuvent également être formés entre les atomes
d'hydrogène et les atomes de soufre ou d'azote (on les trouve dans les groupes
SH et NH2).
sur ce schéma vous pouvez voir à quoi ressemblent les liaisons
hydrogène de l'eau:
Liaisons hydrogène
Comment l'eau s'évapore-t-elle?
Pour faire évaporer l'eau, on doit fournir de l'énergie. Les
molécules d'eau absorbent cette énergie individuellement. Du fait de cette
absorption d'énergie les liaisons hydrogène reliant les molécules d'eau entre
elles se cassent. Les molécules sont maintenant à l'état gazeux; elle forme la
vapeur d'eau. Le changement de phase liquide-vapeur s'appelle l'évaporation.
Pendant l'évaporation une molécule d'eau absorbe de la chaleur, su'on appelle
chaleur latente.
Quelles sont les propriétés thermiques de l'eau?
Les propriétés thermiques d'un liquide sont les propriétés ayant
trait aux transferts de chaleur dans le liquide. On distinguent deux valeurs
permettant de décrire ces propriétés: la chaleur latente et la chaleur
spécifique.
La chaleur spécifique est la quantité de la chaleur nécessaire pour élever la
température de l'unité de masse de 1 degré celsius. La relation entre la
chaleur et le changement de température est la suivante:
Q = c*m*dT
Q = chaleur ajoutée
c = chaleur spécifique
m = masse
dT = variation de température
La chaleur spécifique d'un liquide est exprimée en kilojoules par kilogramme et
par degré Celsius. La chaleur spécifique de l'eau est de 4,18 kJ/kg * o C
à 0 o C.
La chaleur latente est l'énergie qui est absorbée par les molécules d'eau pour
s'évaporer. C'est la chaleur qu'il faut fournir à l'unité de masse pour la
transformer en vapeur aux conditions d'équilibre à la température considérée. Lorsque
l'on repasse en phase liquide on récupère cette énergie.
La chaleur latente est exprimée en kilojoule par kilogramme (kJ/kg). La chaleur
latente de l'eau est 2250 kJ/kg à la pression normale et à une température de
100 o C.
Comment détermine-t-on la solubilité des gaz dans l'eau?
La loi de Henry détermine la solubilité de gaz dans l'eau. Cette
loi relie la pression partielle d'un gaz à sa fraction molaire dans la phase
liquide, et donne ainsi quelle quantité de gaz est dissous. D'après les calculs
effectués grâce à cette loi, l'oxygène est plus soluble dans l'eau que l'azote.
La loi de Henry est la suivante:
P = H * x
Où P est la pression partielle du gaz, H est une constante qui diffère pour
chaque gaz et x est la fraction molaire du gaz dans la phase liquide.
Certains gaz ont un comportement particulier lorsqu'ils sont dissout. Le
dioxide de carbone, l'acide sulfurique et les divers composés volatils, tels
que le chlorure d'hydrogène, se dissolvent et se co,bine avec les molécules
d'eau (ainsi par exemple le CO2 est présent sous cette forme mais aussi sous la
forme H2CO3). Leur coefficient de solubilité est beaucoup plus important que
celui des autres gaz.
Comment détermine-t-on la solubilité des liquides
dans l'eau?
Les molécules d'eau sont polaires. C'est pourquoi la solubilité
d'un liquide est déterminée par sa polarité. Les substances polaires
contiennent souvent des groupements OH- , SH - et NH 2
-. Plus un liquide contiens ce type de groupe, plus il sera
soluble dans l'eau. En effet ces groupes pourront former des liaisons
hydrogènes avec l'eau.
Qu'est-ce que l'oxidation et la réduction?
Une réaction où il y a transfert d'éléctrons d'un composé à un
autre est appelé réaction d'oxido-réduction ou redox. Lorsqu'un composé capture
des électrons c'est une réaction de réduction:
ex: Cu 2+ (aq) + è - - >
Cu(s).
L'accepteur d'électron, ici Cu 2+, est
appelé l'oxydant.
Lorsqu'un composé cède des électrons c'est une
oxydation:
ex: Zn(s) - > Zn 2+ + è -.
Le donneur d'électron, ici Zn, est appelé le réducteur.
Une réaction rédox entre deux composés est la somme de ces deux
réactions:
ex: Cu 2+ (aq) + Zn(s) - > Zn 2+ (aq) +
Cu(s).
L'eau peut participer aux réactions rédox. En effet l'eau peut
être un donneur d'électrons, c'est un réducteur. En général de lorsque
l'eau intervient comme réducteur on génère de l'oxygène. L'eau peut également
agir en tant qu'accepteur d'électrons,en tant qu'oxydant.
L'eau est une substance très importante, elle est en effet le
constituant majeur du corps humain . Mais qu'est-ce l'eau exactement? À
l'intérieur du corps d'un être d'humain il y a un squelette, qui rend le
corps solide et s'assure que l'on peut se lever sans tomber en morceaux.
L'eau est également une sorte de squelette. Elle se compose de particules
minuscules, les atomes, comme toutes les autres substances sur terre. L'un de
ces atomes s'appelle l'hydrogène et l'autre s'appelle l'oxygène. Comme vous
le savez probablement l'air que nous respirons contient également de
l'oxygène. Une particule d'eau s'appelle une molécule. Quand un grand nombre
de molécules d'eau sont ensemble nous pouvons voir l'eau et la boire ou
l'utiliser, par exemple pour nettoyer.
Une molécule d'eau se compose de trois atomes différents; un
atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène, qui sont liés ensemble comme de
petits aimants. Les atomes comportent un noyau central, constitué de protons
et de neutrons, et un nuage d'électrons. Les protons sont de petites
particules chargées positivement. Le nombre de protons présents dans le noyau
correspond au numéro atomique de l'atome. Chaque atome possède son propre numéro
atomique. L'hydrogène possède un proton dans son noyau et l'oxygène en a
huit.
Dans le noyau il y a également des particules neutres, appelées les neutrons.
À côté des protons et des neutrons, les atomes possèdent également des
particules chargés négativement, c'est le nuage d'électrons autour du noyau.
Le nombre d'électrons dans un atome est égal au nombre de protons dans le
noyau. L'attraction entre les protons et les électrons est ce qui permet à
l'atome de rester uni.
Quel est le poids d'une molécule d'eau?
Le poids d'une molécule est déterminé grâce aux masses atomiques des atomes
qui le constituent. La masse atomique d'un atome est obtenue par la
somme du nombre de protons et de neutrons du noyau, car les électrons ne
pèsent presque rien. Quand les masses atomiques de tous les atomes sont
connues, on les somme pour trouver la masse atomique de la molécule.
Ces masses sont exprimées en grammes par mole. Une mole est une unité
utilisée dans l'expression de la masse molaire d'une molécule, elle correspond
au poids de la molécule d'hydrogène, qui est de 1 mole.
L'hydrogène a une masse atomique relative de 1 g/mole et l'oxygène a une
masse atomique relative de 16 g/moles. L'eau se compose d'un atome d'oxygène
et de deux atomes d'hydrogène. Ceci signifie que la masse d'une molécule
d'eau est 1g + 1g + 16g = 18 g/moles.
Quand le nombre de moles de l'eau est connu, on peut calculer la masse
correspondante , en utilisant la masse de molaire de l'eau.
Le masse molaire des atomes peut être trouvée dans le tableau
périodique de Mendelejef.
L'eau existe dans trois états: solide, liquide et gazeux. À température
ambiante, c'est à dire environ 25 o C, elle est liquide, mais
en-dessous de 0 o C elle gèle et on obtient alors de la glace. Au
dessus de 100 o C, l'eau est à l'état gazeux. C' est le point
d'ébullition d'eau, c'est à dire la température à laquelle l'eau commence à
s'évaporer. L'eau devient alors un gaz et est inodore et incolore.
La vitesse d'évaporation de l'eau dépend de la température; si la température
est élevée; l'eau s'évaporera plus vite.
Que se passe-t-il lorsque l'eau change d'état?
Changement de phase de l'eau
Le passage d'un liquide à un solide ou à un gaz s'appelle le changement d'
état. Quand une substance telle que l'eau change d'état, son aspect physique change,
mais pas ses propriétés chimiques. Ceci car la structure chimique demeure la
même, en revanche les molécules qui constituent la matière ne sont pas
dispersées de la même façon. A l'état solide les molécules d'eau sont assez
proches les unes des autres, mais à l'état liquide elles sont un peu plus
distantes les unes des autres. L'eau devient liquide en raison de cette
éloignement des molécules. Quand l'eau passe de l'état liquide à l'état
gazeux, les molécules s'éloignent encore plus les unes des autres, c'est
pourquoi nous ne pouvons pas les détecter.
Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau?
Quand les substances gèlent, habituellement les molécules se rapprochent.
L'eau possède ici une anomalie: elle gèle en-dessous de 0 o C,
mais quand la température est inférieure à 4 o C, l'eau commence à
se dilater et par conséquent sa densité diminue. La densité d'une substance
correspond au poids en kilogrammes d'un mètre cube de substance. Quand deux
substances sont mélangées mais ne sont pas solubles l'une dans l'autre, la
substance avec la plus petite densité flotte sur l'autre. Ici la substance
qui flotte est la glace, du fait de sa plus faible densité.
Comment se fait-il que toutes les substances ne soient pas solubles dans
l'eau?
La polarité détermine si une substance est soluble dans l'eau. Une substance
polaire est une substance qui a deux pôles différents, comme dans un aimant.
Quand on mélange deux substances polaires, les pôles des substances
s'attirent et par conséquent les substances se mélangent. c'est ainsi qu'une
substance se dissout dans l'eau.
Les substances qui ne contiennent aucun pôles s'appellent les substances
apolaires. L'huile par exemple est une substance apolaire, c'est pourquoi
l'huile ne se dissout pas dans l'eau. En fait elle flotte sur l'eau, juste
comme la glace, du fait de sa plus petite densité.
Qu'est ce que l'eau dure?
Quand l'eau est dite 'dure' cela signifie simplement qu'elle contient plus de
minéraux que l'eau ordinaire. Ces minéraux sont principalement le calcium et
le magnésium. Le degré de dureté de l'eau augmente avec la quantité de
calcium et de magnésium dissout.
Le magnésium et le calcium sont des ions chargés positivement. En raison de
leur présence, les autres substances chargées positivement se dissolvent moins
facilement dans une eau dure que dans une eau qui ne contient pas de calcium
ou de magnésium. C'est la raison pour laquelle le savon ne se dissout pas
vraiment dans une eau dure.
Les propriétés physiques d'une substance sont les propriétés liées à l'aspect
de la substance. Les propriétés chimiques sont les propriétés qui sont
souvent utilisées en chimie pour déterminer l'état d'une substance. Les
propriétés physiques et chimiques peuvent nous permettre de déterminer le
comportement d'une substance selon les circonstances.
Quelles sont les principales propriétés physiques et chimiques
de l'eau?
Il existe différentes propriétés physiques et chimiques, qui
sont souvent utilisées alternativement. En voici quelques unes:
- la densité. La densité de l'eau correspond au poids d'une certaine quantité
d'eau. Elle est habituellement exprimée en kilogrammes par mètre cube
(physique)
- propriétés thermiques. Cela concerne ce qui se passe quand l'eau est
chauffée, à quelle température elle passe à l'état gazeux et ce genre de
choses (physique)
- la conductivité. Ceci décrit la quantité d'électricité que l'eau peut
conduire. Elle est exprimée à l'aide d'une grandeur chimique. (physique)
- l'absorption de la lumière. C'est la quantité de lumière absorbée par une
certaine quantité d'eau dans un temps fini (chimique)
- viscosité. la viscosité permet de déterminer la mobilité de l'eau. Quand la
température s'élève, la viscosité diminue; ceci signifie que l'eau sera plus
mobile à températures élevées (physique)
- le pH. Le pH a sa propre échelle, de 1 à 14. Le pH permet de savoir si une
substance est acide (pH 1-6), neutre (pH 7) ou basique (pH 8-14). Le nombre
d'atomes d'hydrogène dans la substance détermine le pH. Plus les atomes
d'hydrogène sont nombreux, plus le pH sera faible. Une substance qui contient
beaucoup d'atomes d'hydrogène est acide. Le pH peut être mesuré en plongeant
un papier spécial dans la substance, le papier prend une couleur différente suivant
le pH de la substance (chimique)
- alcalinité. C'est la capacité de l'eau à neutraliser un acide ou une base,
de sorte que le pH de l'eau ne change pas. (chimique)