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Eau

                          

L'eau est un composé chimique simple, liquide à  température et pression ambiantes. A pression ambiante, l'eau est gazeuse au-dessus de 100°C et solide en dessous de 0°C. Sa formule chimique est H2O, c'est-à -dire que chaque molécule d'eau se compose d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène.

L'eau se trouve presque partout sur la Terre et est vitale pour tous les organismes vivants connus. Près de 70% de la surface de la Terre est recouverte d'eau, essentiellement sous forme d'océans. Une étendue d'eau peut être un océan, une mer, un lac, un étang, un fleuve, une rivière, un ruisseau, un canal (voir Les ressources en eau sur Terre pour plus de détails). La circulation de l'eau au sein des différents compartiments terrestres est décrite par son cycle biogéochimique.

En mythologie, l'eau est un des quatre éléments classiques mythiques avec le feu, la terre et l'air, et était vue par certains comme l'élément de base de l'univers. Les caractéristiques de l'eau dans ce système sont le froid et l'humidité. Dans la théorie des humeurs corporelles, l'eau était associée au phlegme.

L'eau est également un des cinq éléments chinois avec l'air, le feu, le bois et le métal.

Sommaire
1 La physique de l'eau
2 La chimie de l'eau
3 Purification de l'eau
4 L'eau dans l'alimentation
5 Référence dans le système métrique pour la détermination de la masse
6 Liens

La physique de l'eau

L'état solide de l'eau est la glace ; l'état gazeux est la vapeur (d'eau). L'état de l'eau dépend des conditions de pression P et de température T. Il existe une situation unique (P,T) dans laquelle l'eau coexiste sous les trois formes solide, liquide, et gazeux ; cette situation est appelée "point triple de l'eau", elle a lieu lorsque

Les unités de température (anciennement les degrés Celsius, maintenant les kelvins) sont définis grà¢ce à  ce point triple de l'eau.


diagramme de phase de l'eau, montrant l'état de l'eau pure en fonction de la température et de la pression

La vélocité du son dans l'eau est de 1 500 m/s dans les conditions normales (20 °C, 1 atm).

La masse de 1 cm3 d'eau à  la température de 4 Â°C est sensiblement de 1 g. Par approximation, on prend pour masse volumique de l'eau dans les conditions normales la valeur de 1 000 kg.m-3, une tonne par mètre-cube soit un kilogramme par litre.

Les chimistes se réfèrent parfois en blaguant à  l'eau 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. (Voir, en anglais, www.dhmo.org)

La chimie de l'eau

La nature dipolaire de l'eau

Une propriété très importante de l'eau est sa nature polaire. La molécule d'eau forme un angle au niveau de la molécule d'oxygène entre les deux molécules d'hydrogène. Puisque l'oxygène a une électronégativité plus forte que l'hydrogène, le cà´té de la molécule d'eau o๠se trouve l'atome d'oxygène est chargé négativement, par comparaison avec le cà´té hydrogène. Une molécule avec une telle différence de charge est appelée un dipà´le (molécule dipolaire). Cette différence de charge fait que les molécules d'eau s'attirent les unes les autres, le cà´té positif de l'une attirant le cà´té négatif d'une autre. Un tel lien électrique entre deux molécules s'appelle un pont hydrogène ou liaison hydrogène.

Cette force d'attraction, relativement faible par rapport aux liaisons chimiques covalentes de la molécule elle-même, est à  la source de propriétés comme un point d'ébullition élevé (quantité d'énergie calorifique nécessaire pour briser les ponts hydrogènes), ainsi qu'une chaleur spécifique élevée.

Du fait des ponts hydrogènes également, la densité de l'eau liquide est supérieure à  la densité de la glace (état o๠l'eau est cristallisée). De ce fait, en hiver la glace qui se forme à  la surface d'un étang y reste et protège du gel l'eau située plus bas, ce qui permet aux poissons et autres êtres vivants d'y survivre. L'eau atteint sa plus haute densité à  la température de 4 °C, qui est ainsi la température qu'on trouve typiquement au fond d'un étang gelé. Un autre conséquence est que la glace fond quand suffisamment de pression lui est appliquée.

Equilibre acide/base

L'eau se dissocie naturellement en ion oxonium (ou hydronium) H3O+ et ion hydroxyde OH-

2H2O = H3O+ + OH-.
Du fait de l'équilibre, à  une température donnée, le produit entre des concentrations de ces ions, ou "produit de dissociation", est constant : à  25 Â°C, il vaut
[H3O+].[OH-] = 10-14 uSI
Les ions oxonium et hydroxyde sont très réactifs, ils peuvent attaquer d'autres matériaux, les dissoudre. On définit l'acidité grà¢ce à  la concentration en ion oxonium, par le
pH
pH = -log10[H3O+]
à€ 25 Â°C, le pH de l'eau pure vaut 7, il est dit neutre. L'ajout de certains produits dits "acides" va déplacer l'équilibre de dissociation de l'eau et abaisser le pH (augmentation du nombre d'ions oxonium) ; à  l'inverse, l'ajout de certains produits dits "basess" va déséquilibrer la réaction dans l'autre sens, favoriser la présence d'ions hydroxyde et augmenter le pH.

On note que l'eau peut capturer un proton ou en libérer un, c'est donc un amphotère, c'est-à -dire à  la fois un acide et une base. Cet équilibre acide/base est d'une importante capitale en chimie minérale comme en chimie organique.

L'eau comme solvant

Grà¢ce à  sa polarité, l'eau est un excellent solvant. Quand un composé ionique ou polaire pénètre dans l'eau, il est entouré de molécules d'eau. La relative petite taille de ces molécules d'eau fait que plusieurs d'entre elles entourent la molécule de soluté. Les dipoles négatifs de l'eau attirent les régions positivement chargées du soluté, et vice-versa pour les dipoles positifs. L'eau fait un excellent écran aux interactions électriques (la permittivité électrique εe de l'eau est de 78,5 à  25 Â°C), il dissocie donc facilement les ions.

En general, les substances ioniques et polaires comme les acides, alcools, et sels se dissolvent facilement dans l'eau, et les substances non-polaires comme les huiles et les graisses se dissolvent difficilement. Ces substances non-polaires restent ensemble dans l'eau car il est énergétiquement plus facile pour les molécules d'eau de former des ponts hydrogène entre elles que de s'engager 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 entourés de molécules d'eau. Les ions sont alors facilement transportés loin de leur matrice cristalline. Un exemple de soluté non-ionique est le sucre de table. Les dipoles des molécules d'eau forment des ponts hydrogène avec les régions dipolaire de la molécule de sucre, et celle-ci est ainsi extraite vers l'eau liquide.

Cette faculté de solvant de l'eau est vitale en biologie, parce que certaines réactions biochimiques n'ont lieu qu'en solution (par exemple, réactions dans le cytoplasme ou le sang.)

Tension superficielle

Les ponts hydrogène confèrent à  l'eau une grande tension superficielle et une grande cohésion. Cela se voit quand de petites quantités d'eau sont posées sur une surface non soluble et que l'eau reste ensemble sous forme de gouttes. Cette propriété est utile dans le transport verticale de l'eau chez les végétaux.

Conductivité

L'eau pure est en réalité un isolant, qui conduit mal l'électricité. Mais puisque l'eau est un si bon solvant, elle contient souvent une bonne quantité de soluté dissous, le plus souvent des sels. Si l'eau contient de telles impuretés, elle peut conduire l'électricité facilement. Le stator des très gros alternateurs est refroidi par circulation d'eau désionisée dans les conducteurs creux de l'enroulement. Malgré les différences de potentiel de plusieurs dizaines de milliers de volts entre le circuit de refroidissement et les conducteurs électriques, il n'y a pas de problèmes de fuite de courant.

Électrolyse

En faisant passer un courant dans l'eau, elle peut être divisée en ses composants hydrogène et oxygène. Ce processus est appelé électrolyse. Les molécules d'eau se dissocient naturellement en ions H3O+ et OH-, qui sont attirés par la cathode et l'anode respectivement. à€ l'anode, quatre ions OH- se combinent pour former des molécule de dioxygène O2, deux molécules d'eau, et libérer quatre électrons. Les molécules de dioxygène ainsi produites s'échappent sous forment de bulles de gaz vers la surface, o๠elles peuvent être collectées. à€ la cathode, il y a une libération de molécule de dihydrogène H2

4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
2H3O+ + 2e- → H2 + 2H2O

Purification de l'eau

De l'eau pure ou relativement pure est nécessaire à  beaucoup d'applications industrielles, et à  la consommation humaine. Les humains ont besoin d'eau sans trop de sels et autres impuretés, comme des produits toxiques ou de bactéries pathogènes.

Voici six méthodes courantes pour purifier l'eau:

  1. Filtrage: l'eau est passée à  travers un filtre qui intercepte les petites particules. Plus petites sont les mailles du filtre, plus petite doit être une particule pour passer. Le filtrage n'est pas suffisant, mais est souvent nécessaire comme étape préparatoire, pour empêcher les plus grosses particules d'interférer avec les méthodes de purification plus avancées.
  2. Ébullition: l'eau est maintenue à  ébullition un temps suffisamment long pour inactiver ou tuer les microorganismes qui vivent dans l'eau à  température ambiente. L'ébullition n'élimine pas les solutés qui ont une température d'ébullition supérieure à  celle de l'eau, au contraire leur concentration augmente.
  3. Filtrage au carbone: le charbon de bois, un composé à  haute teneur en carbone, absorbe beaucoup d'autres composés dont certains toxiques. L'eau est passée à  travers du charbon de bois actif pour la purifier de ces composés. Cette méthode est surtout utilisée pour filtrer l'eau des ménages et l'eau des aquariums.
  4. Distillation: on fait bouillir l'eau de façon à  produire de la vapeur, qui s'élève, et est mise en contact avec une surface refroidie o๠la vapeur se condense à  nouveau en eau et peut être recueillie. Les solutés ne se vaporisent normalement pas et restent ainsi dans la solution mise à  bouillir. Ceci dit, même la distillation ne purifie pas complètement l'eau, du fait de contaminants ayant à  peu près la même température d'ébullition que l'eau, et de gouttelettes d'eau non vaporisée transportées avec la vapeur.
  5. Osmose inverse: une pression mécanique est appliquée à  une solution impure pour forcer l'eau à  passer à  travers une membrane semi-perméable. On appelle cela l'osmose inverse parce que l'osmose normale verrait l'eau pure se déplacer dans l'autre sens pour diluer les impuretés. L'osmose inverse est en théorie la meilleure méthode pour la purification à  grande échelle de l'eau, mais il est difficile de créer de bonnes membranes semi-perméables.
  6. Chromatographie par échange d'ions: dans ce cas, l'eau est passée à  travers une colonne de résine chargée qui a des chaînes de coté qui trapent le calcium, le magnésium et autres ions de métaux lourds. Dans de nombreux laboratoires, cette méthode de purification a remplacé la distillation car elle procure un grand volume d'eau très pure plus rapidement et en consommant moins d'énergie. L'eau obtenue de cette façon est appellée eau déionisée.

Voir aussi

L'eau dans l'alimentation

Référence dans le système métrique pour la détermination de la masse

à€ l'origine, un décimètre cube d'eau définissait une masse de un kilogramme. L'eau avait été choisie car elle est simple à  trouver et à  distiller. Dans notre système actuel de mesure -le système international d'unités (SI)- cette définition de la masse n'est plus valable.

Liens