Molécule d'eau

Molécule d'eau
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Article principal : eau.
Eau
Géométrie de la molécule d’eau et représentation 3D
Géométrie de la molécule d’eau et représentation 3D
Géométrie de la molécule deau et représentation 3D
Général
No CAS 7732-18-5
No EINECS 231-791-2
SMILES
InChI
Apparence liquide transparent. Bleu sur la tranche de la glace (glacier par ex.)[1]
Propriétés chimiques
Formule brute H2O  [Isomères]
Masse molaire[4] 18,0153 ± 0,0004 g·mol-1
H 11,19 %, O 88,81 %,
Moment dipolaire 1,8546 ± 0,0040 D [2]
Diamètre moléculaire 0,343 nm [3]
Propriétés physiques
T° fusion 0 °C [5]
T° ébullition 100 °C [5]
Masse volumique 1,0000 g·cm-3 (3,98 °C)

0,99705 g·cm-3 (25 °C)[5]

Pression de vapeur saturante 6,11 mbar (glace, 0 °C)[7]

12 mbar (10 °C)
23 mbar (20 °C)
42 mbar (30 °C)
74 mbar (40 °C)
123 mbar (50 °C)
199 mbar (60 °C)[5]

Viscosité dynamique 0,001 Pa·s à 20 °C
Point critique 373,95 °C, 22,1 MPa, 0,063 l·mol-1[8]
Point triple 0,01 °C [9];
611,73 Pa
Conductivité thermique 565 mW·K-1·m-1
Tension superficielle à 20 °C 0,0728 N/m
Conductivité électrique 5,5×10-6 S·m-1
Thermochimie
ΔfH0gaz -241,83 kJ·mol-1 [10]
ΔfH0liquide -285,10 kJ·mol-1 [10]
ΔfusH° 335 J·g-1
ΔvapH° 40,65 kJ·mol-1 (1 atm, 99,97 °C);
43,98 kJ·mol-1 (1 atm, 25 °C)[11]
Cp 35,22 J·mol-1·K-1 (gaz, 226,85 °C)

75,38 J·mol-1·K-1 (liquide, 24,85 °C)[12]
2,060 J·g-1·K-1 (solide)

Cv 3,724 J·g-1·K-1 (gaz)
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation 12,6206 ± 0,0020 eV (gaz)[14]
Cristallographie
Système cristallin hexagonal
Paramètres de maille a = 4,5212 Å
c = 7,3666 Å
Propriétés optiques
Indice de réfraction n^{ 25 }_{ D }  1,3325 [3]
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

La molécule deau[15], de formule H2O, est le constituant essentiel de leau pure. Celle-ci contient également des ions résultant de lautoprotolyse de leau selon léquation déquilibre : H2O = H+ + OH- (ou encore 2H2O = H3O+ + OH-). Leau pure nest pas présente dans la nature et doit être obtenue par des processus physiques.

Cette molécule a des propriétés complexes à cause de sa polarisation (voir le paragraphe Nature dipolaire).

Leau à pression ambiante (environ un bar) est gazeuse au-dessus de 100 °C, solide en dessous de 0 °C, et principalement liquide entre les deux. Cest une particularité essentielle : les autres composés proches ou apparentés (sulfure dhydrogène, ammoniac et méthane) sont tous gazeux même à des températures bien plus basses.

Les chimistes se réfèrent parfois (avec humour) à leau avec un nom savant (et justifié) comme du monoxyde de dihydrogène dans des parodies de recherche scientifique sérieuse qui présentent ce produit comme mortellement dangereux et à bannir.

Sommaire

Physique

Propriétés générales

Diagramme de phase de leau, montrant létat de leau pure en fonction de la température et de la pression.

Létat solide de leau est la glace ; létat gazeux est la vapeur d'eau. Létat de leau dépend des conditions de pression P et de température T. Il existe une situation unique (P,T) dans laquelle leau coexiste sous les trois formes solide, liquide, et gazeux ; cette situation est appelée « point triple de leau », elle a lieu à une température de 273,16 K (0,01 °C) et une pression de 611,2 Pa.

Les unités de température (degrés Celsius, kelvin) sont définies en prenant ce point triple de leau comme référence.

La vitesse du son dans leau est de 1 500 m⋅s-1 dans les conditions normales de température et de pression.

La conductivité électrique de l'eau pure à 20 °C est très faible : 5,5×10-6 S·m-1. L'eau pure est donc considérée comme un isolant électrique.

La masse dun litre deau à la température de 4 °C était la première définition du kilogramme. Par approximation, on prend pour masse volumique de leau dans les conditions normales la valeur de 1 000 kg·m-3, une tonne par mètre cube ou encore un kilogramme par litre (1 kg·l-1).

La chaleur massique de leau est de 4 186 J·kg-1·K-1 dans les conditions normales de température et de pression. Leau était utilisée comme étalon de chaleur dans danciens systèmes dunité : la calorie (et la frigorie) quantifiait la chaleur à apporter pour augmenter dun degré Celsius la température dun gramme deau : soit 4,185 J.

Leau est pratiquement considérée comme un fluide incompressible dans la plupart des applications. Son coefficient de compressibilité est de 4,5×10-10 Pa-1

Tableau 1 : Quelques propriétés de leau en fonction de la température
Temp. (°C) Masse volumique (g/cm3) Chaleur massique (J/g·K) Viscosité (µPa·s) Pression saturante (bar) Enthalpie de vaporisation (kJ/kg)
0 0,99984 4,2176 1793 0,00611 2500,5
10 0,99970 4,1921 1307 0,01228 2467,9
20 0,99821 4,1818 1002 0,02338 2453,4
30 0,99565 4,1784 797,7 0,04245 2429,6
40 0,99222 4,1785 653,2 0,07382 2405,9
50 0,98803 4,1806 547,0 0,12346 2309,9
60 0,98320 4,1843 466,5 0,19936 2357,7
70 0,97778 4,1895 404,0 0,31181 2333,1
80 0,97182 4,1963 354,4 0,47379 2308,2
90 0,96535 4,2050 314,5 0,70123 2282,7
100 0,95840 4,2159 281,8 1,01325 2256,6
Température débullition de leau en fonction de laltitude
Altitude (m) Pression (Atm)[16] Temp. (°C)
0 1,00 100
4 810,9 (Mont Blanc) 0,54 85
8 844 (Everest) 0,32 72
19 200 0,063 37

À 20 000 m environ, leau entre en ébullition à la température du corps humain. Cest donc une barrière infranchissable pour lhomme sans dispositif de pressurisation (vêtement à pressurisation partielle, scaphandre, ou cabine pressurisée).

Propriétés quantiques

Un nouvel « état quantique » de leau a été observé alors que des chercheurs ont introduit des molécules deau dans un nanotube de carbone de 1,6 nanomètre de diamètre et l'ont exposée à une diffusion de neutrons. Les protons des atomes dhydrogène et doxygène possèdent alors une énergie supérieure à celle de leau libre, en raison dun état quantique singulier. Ceci pourrait expliquer le caractère exceptionnellement conducteur de leau au travers des « canaux » qui traversent les membranes cellulaires biologiques[17].

  • A très faible concentration, l'eau peut transporter des signaux (ondes électromagnétiques produites par résonnance, par les molécules composant certaines séquences de l'ADN). Ce phénomène a été découvert avec un ADN bactérien de Mycoplasma pirum (souvent associée au VIH). Il semble issu d'une résonance provoquée par le fond électromagnétique ambiant des ondes de très basse fréquence. L'ADN génomique de la plupart des bactéries pathogènes contient des séquences pouvant générer de tels signaux[18]. Ceci pourrait conduire à développer des système de détection très sensible pour des infections bactériennes chroniques dans les maladies humaines et animales[18].

Propriétés liées à la vie terrestre

Certaines des caractéristiques de leau font delle une molécule remarquable, aux particularités qui ont permis à la vie sur Terre de se développer. Ces caractéristiques, surtout liées à sa nature dipolaire, sont explicitées dans les chapitres qui suivent.

  • Dans les phases condensées (solide, liquide) de leau, ses molécules ont une forte cohésion entre elles de par les liaisons hydrogène, ce qui fait que ses phases condensées sont « difficiles » à évaporer ; l'eau a une température débullition particulièrement élevée pour une molécule de cette masse molaire. Cela permet à une importante phase liquide dexister aux températures connues sur Terre, phase liquide indispensable à la vie telle que nous la connaissons.
  • De même, ses propriétés de solvant « doux » permettent à un très grand nombre de réactions biochimiques de se produire.
  • Le fait que la densité de leau soit plus grande à létat liquide que solide, propriété rare partagée qu'avec quelques autres substances (voir chapitre suivant), a une conséquence remarquable : la glace flotte sur leau liquide. De surcroît, le fait que la densité de leau douce soit maximale à 4 °C fait que la température au fond dun lac ne descend pas en dessous de 4 °C (sauf cas extrêmes). Cela permet à la vie aquatique de survivre aux périodes glacées, car leau reste liquide sous son manteau de glace isolant (pour la plupart des espèces chimiques, la densité à létat liquide est plus faible quà létat solide).
  • Par ailleurs, sa tension superficielle particulièrement élevée permet le phénomène de capillarité (qui permet, entre autres, à la sève des végétaux de monter) et à de nombreux êtres vivants de se déplacer sur la surface de leau.

Formes

Voir la catégorie : Forme de leau

Leau peut prendre beaucoup de formes. Létat solide est communément appelé glace (tandis que beaucoup dautres formes existent ; voir leau amorphe) ; létat gazeux est appelé vapeur deau (ou vapeur), et la phase liquide ordinaire est tout simplement appelée leau. Au-dessus dune certaine température et pression critique (647 K et 22,064 MPa), les molécules deau entrent dans un état dit supercritique, dans lequel des agrégats moléculaires présentant des caractéristiques proches de leau liquide sont dans une phase de type gaz.

Lexplication physique du fait que leau solide soit moins dense que leau liquide vient de la structure cristalline de la glace, connue sous le nom de glace Ih (h pour hexagonale). Leau, comme quelques (rares) matériaux, comme le silicium, le gallium, le germanium, lantimoine, le bismuth, et le plutonium, se dilatent en passant de la forme liquide au solide ; la plupart des autres matériaux se contractent à la solidification.
Il faut toutefois noter que toutes les formes de glace ne sont pas moins denses que leau liquide. Par exemple la glace HDA et la glace VHDA sont toutes les deux plus denses que leau 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 des liaisons hydrogène.

Indice de réfraction

Eau claire et transparente.
Tableau 1
Indice de réfraction de leau en fonction
de sa température et de la
longueur donde de la lumière
Longueur donde
λ (nm)
T = 10 °C T = 20 °C T = 30 °C
706,5 1,330 7 1,330 0 1,329 0
589,3 1,333 7 1,333 0 1,331 9
501,6 1,337 1 1,336 4 1,335 3
404,7 1,343 5 1,342 7 1,341 7


Tous les milieux transparents sont dispersifs, ce qui signifie que la vitesse de la lumière change avec sa longueur donde λ. Plus précisément, dans la partie visible du spectre électromagnétique (approximativement 400 à 700 nm) lindice de réfraction est généralement une fonction décroissante de la longueur donde : la lumière bleue est plus déviée que le rouge. En outre, le taux de changement de lindice de réfraction augmente lorsque la longueur donde diminue. Lindice de réfraction augmente habituellement avec la densité du milieu.

Leau présente toutes ces caractéristiques.
Le tableau 1 montre les résultats de quelques mesures[19] de lindice de réfraction de leau par rapport à de lair sec de même température T que leau et à la pression de une atmosphère (760 mmHg ou 1 013 hPa).

Pour convertir les valeurs sous forme de tableaux relatifs à lindice du vide, ajouter 4 à la quatrième position décimale. Noter que lindice de réfraction augmente lorsque la température de leau diminue. Ces résultats sont conformes aux attentes, puisque la densité de leau liquide augmente lorsquelle se refroidit. Cependant, si les mesures sont faites à de plus basses températures lindice ne montre pas dextremum à 4 °C, bien que la densité de leau y soit maximale.

Lindice de réfraction est également une fonction de la pression de leau, mais la dépendance est faible en raison de lincompressibilité relative de leau (comme tous les liquides). En fait, sur les gammes normales des températures (0 à 30 °C), laugmentation approximative de lindice de réfraction est de 0,000016 quand la pression de leau augmente dune atmosphère.

Les facteurs les plus significatifs affectant lindice de réfraction sont la longueur donde de la lumière et la salinité de leau. Néanmoins, lindice de réfraction excède de moins de 1 % la gamme indiquée des valeurs de ces variables.

Références
  • E. Dorsey, « propriétés dEau-Substance ordinaire », (Reinhold Publishing Corporation 1940).

Chimie

Nature dipolaire

Dipôle de la molécule deau.

Une propriété très importante de leau est sa nature polaire. La molécule deau forme un angle de 104,45 ° au niveau de latome doxygène entre les deux liaisons avec les atomes dhydrogène. Puisque loxygène a une électronégativité plus forte que lhydrogène, latome doxygène a une charge partielle négative δ-, alors que les atomes dhydrogène ont une charge partielle positive δ+. Une molécule avec une telle différence de charge est appelée un dipôle (molécule polaire). Ainsi, leau a un moment dipolaire de 1,83 Debye. Cette polarité fait que les molécules deau sattirent les unes les autres, le côté positif de lune attirant le côté négatif dune autre. Un tel lien électrique entre deux molécules sappelle une liaison hydrogène.

Cette polarisation permet aussi à la molécule deau de dissoudre les corps ioniques, en particulier les sels, en entourant chaque ion dune coque de molécules deau par un phénomène de solvatation.

Cette force dattraction, relativement faible par rapport aux liaisons chimiques covalentes de la molécule elle-même, explique certaines propriétés comme le point débullition élevé (quantité dénergie calorifique nécessaire pour briser les liaisons hydrogène), ainsi quune capacité calorifique élevée.

À cause des liaisons hydrogènes également, la densité de leau liquide est supérieure à la densité de la glace.

Autoprotolyse

Leau se dissocie naturellement en ion oxonium H3O+ (aussi appelé hydronium) et ion hydroxyde OH :

2 H2O = H3O+ + OH

La réaction est dite dautodissociation ou dautoprotolyse.

Dans cette réaction, leau joue à la fois le rôle dacide et de base : comme acide, elle perd un proton H+ et devient lion hydroxyde OH ; comme base elle gagne un proton H+ et devient lion oxonium H3O+. On dit donc que cest une espèce amphotère ou un ampholyte.

La constante déquilibre de cette réaction est très faible (10-14 à 25 °C) ; le nombre dions oxonium et hydroxyde formés est donc très minoritaire devant le nombre de molécules deau.
Du fait de léquilibre, à une température donnée, le produit des concentrations de ces ions est constant, égal à la constante de dissociation. À 25 °C, il vaut :

[H3O+].[OH] = 10−14

Dans leau pure, les ions H3O+ et OH sont issus uniquement de lautoprotolyse de leau, ils sont donc présents en concentrations égales, donc :

[H3O+] = [OH] = 1×10−7 mol·l−1 (à 25 °C)

Le pH étant défini à partir de la concentration en ions oxonium (pH = −log10 [H3O+]), à 25 °C, le pH de leau pure vaut donc 7, il est dit neutre.

Cet équilibre acide/base est dune importance capitale en chimie minérale comme en chimie organique.

Comme solvant

Leau froide soxygène naturellement mieux, alors que leau tiède perd son oxygène et absorbe plus de CO2, en sacidifiant.

Grâce à sa polarité, leau est un excellent solvant. Quand un composé ionique ou polaire pénètre dans leau, il est entouré de molécules deau. La relative petite taille de ces molécules deau fait que plusieurs dentre elles entourent la molécule de soluté. Les dipôles négatifs de leau attirent les régions positivement chargées du soluté, et vice versa pour les dipôles positifs. Leau fait un excellent écran aux interactions électriques (la permittivité électrique εe de leau est de 78,5 à 25 °C), il dissocie donc facilement les ions.

En général, les substances ioniques et polaires comme les acides, alcools, et sels se dissolvent facilement dans leau, et les substances non-polaires comme les huiles et les graisses se dissolvent difficilement. Ces substances non-polaires restent ensemble dans leau car il est énergétiquement plus facile pour les molécules deau de former des liaisons hydrogène entre elles que de sengager dans des interactions de van der Waals avec les molécules non polaires.

Un exemple de soluté ionique est le sel de cuisine alias chlorure de sodium, NaCl, qui se sépare en cations Na+ et anions Cl, chacun entouré de molécules deau. Les ions sont alors facilement transportés loin de leur matrice cristalline. Un exemple de soluté non ionique est le sucre de table. Les dipôles des molécules deau forment des liaisons hydrogène avec les régions dipolaire de la molécule de sucre.

Cette faculté de solvant de leau est vitale en biologie, parce que certaines réactions biochimiques nont lieu quen solution (par exemple, réactions dans le cytoplasme ou le sang.)
Cest pourquoi, pour le moment, leau liquide est considérée comme indispensable à la vie et est activement recherchée sur les divers astres du système solaire, notamment sur Mars et Europe, une lune de Jupiter.

Tension superficielle

Les liaisons hydrogène confèrent à leau une grande tension superficielle et une grande cohésion. Cela se voit quand de petites quantités deau sont posées sur une surface non soluble et que leau reste ensemble sous forme de gouttes. Cette propriété qui se manifeste par la capillarité est utile dans le transport vertical de leau chez les végétaux et nuisible avec la remontée dhumidité dans les murs de maisons.

Conductivité

Leau pure est un mauvais conducteur délectricité. Mais puisque leau est un bon solvant, elle contient souvent une grande quantité de solutés dissouts, le plus souvent des ions. Si leau contient de telles impuretés, elle peut conduire lélectricité plus facilement. Le stator des très gros alternateurs est refroidi par circulation deau déionisée dans les conducteurs creux de lenroulement. Malgré les différences de potentiel de plusieurs dizaines de milliers de volts entre le circuit de refroidissement et les conducteurs électriques, il ny a pas de problèmes de fuite de courant. Voir conductivité électrique (mesure).

La pureté de leau peut être mesurée par sa résistance à un courant électrique.

Décomposition (thermolyse et électrolyse)

Ondes de surface sur de leau : Lexpansion dune perturbation. On observe une perturbation réaliste (due à un bâton) et son expansion sous la forme dondes interférentes et grossièrement concentriques. Laspect quasi métallique de leau est à une lumière rasante.

La première décomposition de leau fut faite par Lavoisier, en faisant passer de la vapeur deau sur du fer chauffé au rouge (thermolyse). Ce faisant, il établit que leau nétait pas un élément mais un corps chimique composé de plusieurs éléments.

La thermolyse de leau commence à devenir significative vers 750 °C et elle est totale vers 3 000 °C. La réaction produit du dioxygène et du dihydrogène :

2 H2O2 H2 + O2

Lautre manière de décomposer leau est lélectrolyse. Sous leffet dune tension appliquée entre deux électrodes plongées dans de leau, leau peut être décomposée en dihydrogène et dioxygène. Les molécules deau se dissocient naturellement en ions H3O+ et OH, qui sont attirés par la cathode et lanode respectivement mais comme cette dissociation est faible dans la pratique on a recours à des catalyseurs comme lacide sulfurique ou lhydroxyde de sodium. À lanode, quatre ions OH se combinent pour former des molécules de dioxygène O2, deux molécules deau, et libérer quatre électrons. Les molécules de dioxygène ainsi produites séchappent sous forme de bulles de gaz vers la surface, elles peuvent être collectées. Dans le même temps, à la cathode, il y a une libération de deux molécules de dihydrogène H2 avec utilisation de quatre électrons.

4OHO2 + 2H2O + 4e
4H3O+ + 4e2H2 + 4H2O

Production de l'eau pure

Leau pure est un excellent solvant et absorbe facilement les gaz qui entrent à son contact. Par conséquent, leau pure est pratiquement introuvable. Les laboratoires danalyses 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 leau 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.

Notes et références

  1. (en)Pourquoi leau est-elle bleue ?
  2. (en) David R. Lide, Handbook of chemistry and physics, CRC, 16 juin 2008, 89e éd., 2736 p. (ISBN 142006679X et 978-1420066791), p. 9-50 
  3. a et b (en) Yitzhak Marcus, The Properties of Solvents, vol. 4, England, John Wiley & Sons Ltd, 1999, 239 p. (ISBN 0-471-98369-1) 
  4. Masse molaire calculée daprès Atomic weights of the elements 2007 sur www.chem.qmul.ac.uk.
  5. a, b, c et d Entrée de « Water » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 8 mars 2010 (JavaScript nécessaire)
  6. a, b, c, d et e (en) T. E. Daubert, R. P. Danner, Physical And Thermodynamic Properties Of Pure Chemicals, Pennsylvania, Taylor & Francis, 1994 (ISBN 1560322705) 
  7. (en) Philip E. Ciddor, « Refractive index of air: new equations for the visible and near infrared », dans Applied Optics, vol. 35, no 9, 1996, p. 1566-1573 [lien DOI (page consultée le 4 mars 2010)] 
  8. (en) Claudio A. Faúndez et José O. Valderrama, « Activity Coefficient Models to Describe Vapor-Liquid Equilibrium in Ternary Hydro-Alcoholic Solutions », dans Chinese Journal of Chemical Engineering, vol. 17, no 2, avril 2009, p. 259-267 [lien DOI (page consultée le 25 janvier 2010)] 
  9. Procès-verbaux du Comité international des poids et mesures, 78e session, 1989, pp. T1-T21 (et pp. T23-T42, version anglaise).
  10. a et b (en) Irvin Glassman, Richard A. Yetter, Combustion, Elsevier, 2008, 4e éd., 773 p. (ISBN 978-0-12-088573-2), p. 6 
  11. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0) 
  12. (en) « Water » sur NIST/WebBook, consulté le
  13. (en) Robert H. Perry et Donald W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, USA, McGraw-Hill, 1997, 7e éd., 2400 p. (ISBN 0-07-049841-5) 
  14. (en) David R. Lide, Handbook of chemistry and physics, CRC, 2008, 89e éd., 2736 p. (ISBN 9781420066791), p. 10-205 
  15. On pourrait également lappeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde dhydrogène, acide hydroxyque, hydroxyde dhydronium, ou acide hydrique, ou bien génériquement « oxyde dhydrogène » ; mais de tels noms ne sont guère utilisés.
  16. De combien la pression diminue-t-elle avec laltitude ?
  17. La Recherche n°451, Avril 2011
  18. a et b Luc Montagnier, Jamal Aïssa, Stéphane Ferris, Jean-Luc Montagnier et Claude Lavalléee ; Electromagnetic signals are produced by aqueous nanostructures derived from bacterial DNA sequences ; Interdisciplinary Sciences: Computational Life Sciences Volume 1, Number 2, 81-90, 2009 ; DOI:10.1007/s12539-009-0036-7 (Résumé)
  19. L. W. Tilton et J. K. Taylor, stand national de bureau de recherche de J., 20, 419 (RP1085) 1938

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes


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