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Eau

L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un composé chimique simple, mais avec des propriétés complexes à cause de sa polarisation (voir Nature dipolaire de l’eau). Sa formule chimique est H2O, c'est-à-dire que chaque molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) d'eau se compose d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) entre deux atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), disposés en V très ouvert. L'eau lourde (L'eau lourde est de l’oxyde de deutérium (formule : D2O ou 2H2O). Chimiquement, elle est identique à l’eau normale (H2O), mais les atomes d’hydrogène dont elle est composée en sont des isotopes lourds, du...) est un composé formé d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) d'oxygène et de deux atomes de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.), qui est un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le...) de l'hydrogène (oxyde de deutérium, D2O).

L’eau se trouve presque partout sur la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est...) et est un composé essentiel pour tous les organismes vivants connus. Le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) est ainsi composé à 70 % d'eau. Par construction des êtres vivants, l’eau est pour eux (sauf exception très notable) incolore, insipide, inodore, etc.

À pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) ambiante (environ un bar), l’eau est gazeuse au-dessus de 100°C, solide en dessous de 0°C, et liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) dans les conditions normales de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) et de pression. C'est là une particularité essentielle : les autres composés proches ou apparentés, (sulfure d'hydrogène, ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base...), et méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est...) par exemple), sont tous gazeux à des températures bien plus basses.

Près de 70 % de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) de la Terre est recouverte d'eau (97 % d'eau salée et 3 % d'eau douce), essentiellement sous forme d'océans. Une étendue d'eau peut être un océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.), une mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), un lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer une stratification, une zonation, ou une régionalisation des...), un étang (Un étang (estang, latin stagnum) est une étendue d'eau stagnante, peu profonde, de surface relativement petite (jusqu'à quelques dizaines d'hectares), résultant de l'imperméabilité du sol. L'étang est un plan d'eau...), un fleuve, une rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve, contrairement au fleuve qui se jette, lui, selon...), un ruisseau (Le ruisseau est un petit cours d'eau, au débit faible, alimenté par des sources d'eau naturelles, souvent affluent d'un étang, d'un lac ou d'une rivière.), un canal... (voir Les ressources en eau sur Terre pour plus de détails). La circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) de l’eau au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et...) des différents compartiments terrestres est décrite par son cycle biogéochimique.

Cascades de Jonathan's Run
Cascades de Jonathan's Run
Bloc de glace sur une plage près de Jökulsárlón, en Islande
Bloc de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) sur une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable fin ; on...) près de Jökulsárlón, en Islande (L’Islande, (en islandais Ísland, littéralement « terre de glace »), est un État insulaire de l’océan Atlantique Nord, situé entre...)

Étymologie

Le mot eau vient du latin aqua (qui a donné par exemple : aquarium).

Origine

Selon la conception actuelle,

  • L'hydrogène est produit très tôt dans l'histoire de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), c'est le premier atome formé (Cf. big bang)
  • L'oxygène est le produit un peu plus tardif de réaction de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de...) thermonucléaire au sein de certaines étoiles.
  • Ces deux atomes se combinent au cours d'une réaction exothermique pour former l’eau.
  • Lorsque la Terre s'est formée, l’eau était une des molécules présentes en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) importante (comme dans les météorites et comètes)

Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...)

Propriétés générales

Diagramme de phase de l’eau, montrant l’état de l'eau pure en fonction de la température et de la pression
Diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois dimensions, représentant les domaines de l'état physique (ou...) de l’eau, montrant l’état de l'eau pure en fonction de la température et de la pression
Eau
Géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types...) de la molécule d'eau
Général
Formule brute H2O
Nom IUPAC 1/H2O/h1H2
Numéro CAS 7732-18-5
Code ATC {{{ATC}}}
Apparence Liquide incolore
Propriétés physiques
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...) moléculaire 18 g.mol − 1
Température
de fusion
0°C (273,15 K)
Température
de vaporisation
100°C (373,15 K)
Densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) 1 (liquide)
Densité 0,913 (solide)
Thermochimie
ΔfH0gas −241,5 kJ/mol
ΔfH0liquide −285,8 kJ/mol
ΔfH0solide N/A
Cp pour l'eau liquide :
4,186 kJ/(kg·K)
Cp pour l'eau solide :
2,060 kJ/(kg·K)
Chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse...)
de vaporisation
2 257,92 kJ/kg
Chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) latente
de fusion
335 kJ/kg
Unités du SI & CNTP,
sauf indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) contraire.

L’état solide de l'eau est la glace ; l’état gazeux est la vapeur () (d’eau). Elle est totalement invisible et si on la voit s’élever au-dessus d’une casserole d’eau bouillante, c’est que le mouvement ascendant de la vapeur entraîne avec lui des minuscules gouttelettes d’eau. L’état de l’eau dépend des conditions de pression P et de température T. Il existe une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre...) 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 à une température de 273,16 K (0,01°C) et une pression de 611,2 Pa.

Les unités de température (anciennement les degrés Celsius, maintenant les kelvins) sont définies grâce à ce point (Graphie) triple de l’eau.

La vélocité (VéloCité est un service de prêt gratuit mis en place par la ville d'Angers qui fournit aux personnes qui habitent ou travaillent à Angers des bicyclette aux couleurs de la ville.) du son dans l'eau est de 1 500 m/s dans les conditions normales de température et de pression.

La masse de 1 L d'eau à la température de 4°C était la première définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) du kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).). Par approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit le...), on prend pour masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une...) de l’eau dans les conditions normales la valeur de 1 000 kg/m3, une tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon d'incendie ; En...) par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace....) soit un kilogramme par litre.

La chaleur massique (La chaleur massique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler capacité thermique massique[1] est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un degré la...) de l’eau est de 4 186 J/(kg·K) dans les conditions normales de température et de pression. L’eau était utilisée comme étalon de chaleur dans d’anciens systèmes d'unité : la calorie (et la frigorie) quantifiait la chaleur à apporter (resp. soustraire) pour augmenter (resp. réduire) d'un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) Celsius la température d’un gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) d’eau : soit 4,185 joules.

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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) sérieuse qui présentent ce produit comme mortellement dangereux et à bannir.

Tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) 1 : Quelques Propriétés de l'eau en fonction de la température
Temp (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). (°C) Masse volumique (g/cm3) Chaleur massique (J/g·K) Viscosité (µPa·s)
0 0,99984 4,2176 1793
10 0,99970 4,1921 1307
20 0,99821 4,1818 1002
30 0,99565 4,1784 797,7
40 0,99222 4,1785 653,2
50 0,98803 4,1806 547,0
60 0,98320 4,1843 466,5
70 0,97778 4,1895 404,0
80 0,97182 4,1963 354,4
90 0,96535 4,2050 314,5
100 0,95840 4,2159 281,8
Température d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce phénomène est une...) de l'eau en fonction de l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...)
Altitude (m) Temp. (°C)
0 100
4 807 (Mont Blanc) 85
8 844 (Everest) 72

Propriétés de l'eau liées à la vie (La vie est le nom donné :) terrestre

Certaines des caractéristiques de l'eau font d'elle 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.

  • L'eau a une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) de cohésion élevée, ce qui rend cette matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace...) difficile à évaporer (température d'ébullition particulièrement élevée pour une molécule de cette masse molaire). Cela permet à une importante phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide d'exister 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de réactions biochimiques de se produire.
  • Le fait que la densité de l'eau soit plus grande à l'état liquide que solide, propriété commune avec le Bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.), a une conséquence remarquable : la glace flotte. De surcroît, le fait que la densité de l'eau douce soit maximale à 4°C fait que la température au fond d'un lac ne peut pas descendre en dessous de 4°C (sauf cas extrêmes). Cela permet à la vie aquatique de survivre aux périodes glacées, car l'eau reste liquide sous son manteau de glace isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques....) (d'ordinaire la densité à l'état liquide est plus faible qu'à l'état solide pour les autres corps).
  • Par ailleurs, sa tension superficielle (La tension superficielle, ou énergie d'interface, ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux.) particulièrement élevée permet le phénomène de capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Elle est mise en œuvre lorsque les buvards aspirent l’encre, ou quand les éponges...), qui permet, entre autres, aux plantes de pousser et à de nombreux êtres vivants de se déplacer sur la surface de l'eau.

Indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme...) de l'eau

Eau claire et transparente
Eau claire et transparente

L'indice de réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la...) n d'un milieu transparent est une mesure de sa capacité de changer la direction de propagation d'un rayon de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) qui y entre. Si la lumière devait voyager dans l'espace vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) puis pénétrer dans l'eau, on pourrait faire le rapport des sinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour étudier les triangles et modéliser des phénomènes périodiques. Elles peuvent être définies comme rapports de deux longueurs des...) des angles d'incidence et de réfraction (mesurés à partir de la perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la généralisation de la notion de...) à la surface de l'eau) selon la loi de Snell-Descartes (voir Réfraction) pour calculer l'indice de réfraction de l'eau relativement au vide. Cet indice ne dépendrait que de l'état physique de l'eau (solide, liquide ou gazeux).

Mais, dans la pratique, il est plus simple d'utiliser une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) ou dioptre air-eau pour obtenir l'indice de réfraction de l'eau par rapport à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...), et puis pour le convertir de l'air au vide en multipliant par l'indice de l'air par rapport au vide. Le résultat, qui est toujours plus grand que 1, est le rapport de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) a été mesurée dès le XVIIe siècle par l'astronome danois Ole Christensen Rømer qui avait observé en 1676 un retard de quinze minutes dans l'occultation prédite d'Io, un satellite de Jupiter...) dans le vide à sa vitesse (On distingue :) dans l'eau : la lumière voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage...) plus lentement dans l'eau que dans le vide (ou dans l'air).

Tous les milieux transparents sont dispersifs, ce qui signifie que la vitesse de la lumière change avec sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) λ. Plus précisément, dans la partie visible du spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquence, d'énergie des photons ou encore de longueur d'onde...) (approximativement 400 à 700 nanomètres) l'indice de réfraction est généralement une fonction décroissante de longueur d'onde : la lumière violette est plus déviée que le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.). En outre, le taux de changement de l'indice de réfraction augmente également tandis que la longueur d'onde diminue. L'indice de réfraction augmente habituellement avec la densité du milieu.

L'eau présente toutes ces caractéristiques. Le tableau 1 montre les résultats de quelques mesures (Tilton et Tailor) de l'indice de réfraction de l'eau, n(λ) par rapport à de l'air sec de même température T que l'eau et à la pression de une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) (760 mmHg ou 1 013 hPa).

Indice de réfraction de l'eau en fonction de sa température et de la longueur d'onde de la lumière
Longueur d'onde
λ (Angströms)
T = 10°C T = 20°C T = 30°C
7 065 1,330 7 1,330 0 1,329 0
5 893 1,333 7 1,333 0 1,331 9
5 016 1,337 1 1,336 4 1,335 3
4 047 1,343 5 1,342 7 1,341 7

Pour convertir les valeurs sous forme de tableaux relatifs à l'indice du vide, ajoutez 4 à la quatrième position décimale. Notez que le n(λ) augmente pendant que la température de l'eau diminue. Ces résultats sont conformes aux attentes, puisque la densité de l'eau augmente lorsqu'elle se refroidit. Il est intéressant, cependant, que si les mesures sont faites à de plus basses températures l'indice ne montre pas d'extremum (L'expression « élément extremum » signifie « élément maximum » ou « élément minimum ».) à 4°C, malgré le fait que la densité de l'eau soit maximale à cette température.

L’eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) contient des impuretés dissoutes, principalement sous forme de sels dissociés de sodium, de magnésium, de calcium, et de potassium. Sa densité, et par conséquent n(λ), dépendent donc de sa salinité exprimée en grammes de sels dissous par litre d'eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) (g/L) ou en grammes par kilogramme (g/kg) équivalent à des parties par mille en masse. Il est à noter que les fonds marins (< 3 000 m) sont à une température inférieures à 4°C (environ 2°C ou moins) car l'eau salée voit son maximum de densité à une température inférieure, et surtout cet extremum s'estompe en un plateau constant avant la congélation. Le mouvement des masses océaniques profondes est dominé par la variation de leur salinité. Elles proviennent principalement de la saumure issue de la formation de la banquise (congélation de l'eau de mer) en hiver aux pôles, ainsi que du refroidissement des eaux de surfaces dans les mêmes conditions.

Le tableau 2 (pris de Dorsey) montre comment le n(λ) augmente avec la salinité pour les D-lignes de sodium (moyenne : 5 893 angstroms = 589,3 nm) à 18°C.

Tableau 2 : Changements de l'indice de réfraction dû à la salinité augmentation de la salinité
salinité
(g/kg)
valeur de
n(λ)
Emplacement
5 0,000 97 mers baltiques nordiques
10 0,001 94  
15 0,002 90
20 0,003 86 enfoncements de Biafra
25 0,004 82
30 0,005 77  
35 0,006 73 surface de l'Océan Atlantique (L'océan Atlantique est l'un des cinq océans de la Terre. Sa superficie de 106 000 000 km² en fait le deuxième par la taille derrière l'océan Pacifique. Il s'est formé par l'éloignement de plaques tectoniques, il y a 180...)
40 0,007 69 mers rouges nordiques

L'indice de réfraction est également une fonction de la pression de l'eau, mais la dépendance est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait faible en raison de l'incompressibilité relative de l'eau (comme tous les liquides). En fait, sur les gammes normales des températures (0 - 30°C), l'augmentation approximative du n(λ) est 0,000 016 quand la pression de l'eau augmente d'une atmosphère.

Clairement, les facteurs les plus significatifs affectant le n(λ) sont la longueur d'onde de la lumière et la salinité de l'eau. Néanmoins, le n(λ) excède de moins de 1 % la gamme indiquée des valeurs de ces variables.

Références
  • L. W. Tilton et J. K. Taylor, stand national de bureau de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) de J., 20, 419 (RP1085) 1938.
  • E. Dorsey, " propriétés d'Eau-Substance ordinaire ", (Reinhold Publishing Corporation 1940).

Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...)

Nature dipolaire de l'eau

Dipôle de la molécule d'eau
Dipôle (D'une manière générale, le mot dipôle désigne une entité qui possède deux pôles. On le retrouve dans plusieurs domaines :) de la molécule d'eau

Une propriété très importante de l'eau est sa nature polaire. La molécule d'eau forme un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de 104,45° au niveau de l’atome d'oxygène entre les deux atomes d'hydrogène. Puisque l'oxygène a une électronégativité plus forte que l'hydrogène, le côté de la molécule d'eau où se trouve l'atome d'oxygène est chargé négativement, par comparaison avec le côté hydrogène. Une molécule avec une telle différence de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) est appelée un dipôle (molécule polaire), ayant un moment dipolaire de 1,83D. Cette différence de charge fait que les molécules d'eau s'attirent les unes les autres, le côté positif de l'une attirant le côté négatif d'une autre. Un tel lien électrique entre deux molécules s'appelle un pont hydrogène ou liaison hydrogène.

Cette polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le...) permet aussi à la molécule d'eau de dissoudre les corps ioniques, en particulier les sels, et de les maintenir dans cet état en entourant chaque ion d'une coque de molécules d'eau, c'est la solvatation (voir ci-dessous l'eau comme solvant).

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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) calorifique nécessaire pour briser les ponts hydrogènes), ainsi qu'une capacité calorifique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange thermique au cours d'une transformation pendant laquelle sa...) élevée.

À cause des ponts hydrogènes également, la densité de l'eau liquide est supérieure à la densité de la glace (état où l’eau est cristallisée). De ce fait, en hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) 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 (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à...) 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. Une autre conséquence est que la glace fond quand suffisamment de pression lui est appliquée.

Équilibre acidobasique

L'eau se dissocie naturellement en ion hydronium H3O+ et ion hydroxyde OH :

2H2O = H3O+ + OH.

Par perte d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) H+, elle devient OH. Par gain d'un proton H+, elle devient l'ion hydronium H3O+. On dit donc que c'est une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou...) amphotère. Du fait de l'équilibre, à une température donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...), le produit des concentrations de ces ions, ou " produit de dissociation ", est constant. À 25°C, il vaut :

[H3O+]·[OH] = 10−14 (pas d'unité car constante d'équilibre).

La concentration (en mole par litre) étant symbolisée par une mise entre crochets.

Les ions hydronium et hydroxyde sont très réactifs, ils peuvent attaquer d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), les dissoudre. On définit l'acidité grâce à la concentration en ion hydronium, par le pH :

pH = −log10 [H3O+].

À 25°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 hydronium) ; à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x =...), l'ajout de certains produits dits " basiques " va déséquilibrer la réaction dans l'autre sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...), 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 ampholyte, c'est-à-dire à la fois un acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire,...) et une base. Cet équilibre acide/base est d'une importance capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs, ou une ville ayant une prééminence dans un domaine social, culturel, économique ou...) en chimie minérale comme en chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.).

L'eau comme solvant

Eau naturelle oxygénée
Eau naturelle oxygénée

Grâce 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 dipôles négatifs de l'eau attirent les régions positivement chargées du soluté, et vice versa pour les dipôles positifs. L'eau fait un excellent écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou...) aux interactions électriques (la permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du déplacement électrique (aussi appelé induction électrique ou excitation électrique) D (en coulombs par mètre carré) et de...) électrique εe de l'eau 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 l'eau, et les substances non-polaires comme les huiles et les graisses se dissolvent difficilement. Ces substances non-polaires restent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) 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 (La cuisine est l'ensemble des techniques de préparation des aliments en vue de leur consommation par les êtres humains (voir cuisinerie). La cuisine est diverse à...) alias chlorure de sodium, NaCl, qui se sépare en cations Na+ et anions Cl, chacun entouré de molécules d'eau. Les ions sont alors facilement transportés loin de leur matrice cristalline. Un exemple de soluté non ionique est le sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes,...) de table. Les dipôles 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 (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de...), parce que certaines réactions biochimiques n'ont lieu qu'en solution (par exemple, réactions dans le cytoplasme ou le sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la...).) C'est pourquoi, pour le moment, l’eau liquide est considérée comme indispensable à la vie et est activement recherchée sur les divers astres du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système planétaire) : les huit...), notamment sur Mars et Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...) une lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune est de 384 400 km (soit un...) de Jupiter.

Tension (La tension est une force d'extension.) 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 qui se manifeste par la capillarité est utile dans le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions...) vertical de l'eau chez les végétaux et nuisible avec la remontée d'humidité dans les murs de maisons.

Conductivité

L'eau pure est en réalité un isolant, qui conduit mal l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche...). 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 déionisée dans les conducteurs creux de l'enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour d'un support). Cet enroulement peut n'être constitué que d'une seule spire...). 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. Voir conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.) (mesure).

Décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie, dégénèrent sous l'action de facteurs...) de l'eau (thermolyse et électrolyse)

La première décomposition de l’eau fut faite par Lavoisier, en faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de la vapeur d'eau sur du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie...) chauffé au rouge (thermolyse). Ce faisant, il établit que l’eau n’était pas un élément mais un corps chimique composé de plusieurs éléments.

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

2H2O ↔ 2H2 + O2.

L’autre manière de décomposer l'eau est l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.). Sous l'effet d'un courant qui la traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast...), l'eau peut être divisée en dihydrogène et dioxygène. Les molécules d'eau se dissocient naturellement en ions H3O+ et OH, qui sont attirés par la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique...) et l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction (menant à la consommation...) respectivement mais comme cette dissociation est faible dans la pratique on a recours à des catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans...) comme l’acide sulfurique ou l’hydroxyde de sodium. À l’anode, quatre ions OH se combinent pour former des molécules de dioxygène O2, deux molécules d'eau, et libérer quatre électrons. Les molécules de dioxygène ainsi produites s'échappent sous forme de bulles de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) vers la surface, où 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.

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

Utilisation de l'eau

L'eau dans l'alimentation

  • Eau potable (Une eau potable est une eau devant satisfaire à un certain nombre de caractéristiques la rendant propre à la consommation humaine.)
  • Eau du robinet
  • Eau de table
  • Eau de source
  • Eau minérale
  • Eau gazeuse
  • Eau plate

Lutte contre l'incendie

  • en tant qu'agent d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans plusieurs...)

Symbolique, usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) et mythologie

Pavillon islandais de l'Expo 2000 de Hanovre
Pavillon islandais de l'Expo 2000 de Hanovre
  • L'eau, élément vital pour l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...), est la boisson naturelle par excellence.
  • L'eau est un des quatre éléments (Dans le cadre de la philosophie naturelle, la théorie des quatre Éléments est une façon traditionnelle de décrire et d'analyser le monde.) classiques mythiques avec le feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.), la terre et l'air, et était vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) par certains comme l'élément de base de l'univers. Les caractéristiques de l'eau dans ce système sont le froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) et l'humidité.
  • Dans la symbolique occidentale, l’eau symbolise la purification, le renouveau : par exemple, l'eau bénite du baptême, l'eau coulante d'un fleuve.
  • C'est aussi l'un des cinq éléments chinois avec la terre, le feu, le bois et le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...), associé au Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et à la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) noire, et l'un des cinq éléments japonais.
  • Dans la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) des humeurs corporelles, l'eau était associée au flegme, aussi dénommée pituite en physiologie antique.
L’eau artistique

L'eau fascine depuis toujours les artistes. Elle a souvent été utilisé par l’Aquatique Show International, qui joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert...) avec l'eau et qui est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une...) maître dans l'art d'accorder les lumières, la musique et les eaux en mouvement. Elle est aussi un élément indispensable pour certain sport où elle est l'élément principal comme pour la natation synchronisée où la nageuse joue avec l'eau pour lui faire faire des mouvements harmonieux. L’eau est également bien présente sur les scènes de théâtre, d'opéra, de ballet, dans le music-hall, dans les cirques, ainsi que les concerts qui cherche à reproduire les sons de l'eau car ils sont plus nombreux qu'on ne le pense. Malgré tous les défis que l'eau demande, beaucoup ont relevé ce défi pour la beauté d'un élément qui provoque tant de rêves mais également de nombreux cauchemar (Le mot cauchemar est un terme générique utilisé de façon variable pour désigner des manifestations anxieuses et angoissantes...) pour le monde (Le mot monde peut désigner :).

L'eau dans les croyances

L’eau a longtemps revêtu plusieurs aspects dans les croyances et les religions des peuples. Ainsi, de la mythologie gréco-romaine aux religions actuelles, l’eau est toujours présente sous différents aspects : destructrice, purificatrice, source de vie, guérisseuse et protectrice.

  • L'eau destructrice:

L’eau revêt cet aspect-là notamment lorsqu’on parle de fin du monde ou de genèse. Mais cela ne se limite pas aux religions monothéistes. Ainsi, dans l’épopée de Gilgamesh, une tempête (Une tempête est un phénomène météorologique violent à large échelle dite synoptique, avec un diamètre compris en général entre 200 à 1 000...) qui dura six jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...) et sept nuits était à l’origine des inondations et de la destruction de l’humanité. Les Aztèques ont eux aussi cet aspect de l’eau puisque le monde du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) d’Eau placé sous le signe de l’épouse de Tlaloc est détruit par déluge qui rasera même jusqu’aux montagnes. " Et l’Éternel dit: J’exterminerai de la face de la terre l’homme que j’ai créé, depuis l’homme jusqu’au bétail, aux reptiles, et aux oiseaux du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.); car je me repens de les avoir faits. ", c’est par cela qu’est désignée la fin du monde dans la genèse judéo-chrétienne, et d’ajouter : " Les eaux grossirent de plus en plus, et toutes les hautes montagnes qui sont sous le ciel entier furent couvertes. "(La genèse, (VI, 7)/ (VII, 19)). Le mythe des aborigènes d’Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de...) est, quant à lui, attaché à l’idée de punition et non pas de destruction, puisqu’une grenouille (Le terme grenouille est un nom vernaculaire donné à certains amphibiens, principalement dans le genre Rana. À un de ses stades de...) géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches au-dessus de...) aurait absorbé toute l’eau et asséché la terre mais aurait tout recraché en rigolant aux contorsions d’une anguille.

  • L’eau purificatrice :

Cet aspect donne à l’eau un caractère presque sacré dans certaines croyances. En effet, outre la purification extérieure que confère l’eau, il y a aussi cette faculté d’effacer les difficultés et les péchés des croyants à son contact, et de laver le croyant de toute souillure. Les exemples sont nombreux allant de la purification dans le Gange dans l’hindouisme (où beaucoup de rituels sont exécutés au bord de l’eau tels que les funérailles), ou les ablutions à l’eau dans l’Islam jusqu’au baptême dans le christianisme ou l’initiation des prêtres shintoïstes.

  • L’eau guérisseuse et protectrice :

Outre l’aspect purificateur, l’eau s’est étoffée au cours des siècles et des croyances d’une faculté de guérison (La guérison est un processus biologique par lequel les cellules du corps se régénèrent pour réduire l'espace d'une région endommagée par la nécrose. La guérison implique la suppression du tissu...). Plusieurs signes de culte et d’adoration datant du néolithique ont été retrouvés près de sources d’eau en Europe. Longtemps, des amulettes d’eau bénite ont été accrochées à l’entrée des maisons pour protéger ses occupants du Mal. On considère que le contact avec certaines eau peut aller jusqu’à guérir de certaines maladies. L’exemple le plus proche est celui du pèlerinage à Lourdes en France où chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) des milliers de gens se rendent pour se baigner dans sa source chaude. Parmi les cas de guérison par l’eau de Lourdes, 67 ont été reconnus par l’église (L'église peut être :) catholique. Du point de vue de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances,...), les propriétés curatives ont été démontrées puisque, aujourd’hui, l’hydrothérapie est courante dans les soins de certaines maladies.

  • L’eau source de vie :

Bien que les sciences aient démontrées que l’eau était indispensable à la vie, la mythologie avait bien avant établi le rapport entre l’eau et la naissance. Ainsi, plusieurs dieux et déesses romains et grecques sont issus des eaux : ainsi Océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence...), un Titan (Cliquez sur l'image pour une description), le fleuve qui entoure le monde et son épouse Téthys, une titanide tous deux issus de l’eau donnèrent naissance aux dieux fleuves et à plus de trois milles Océanides, leurs filles. D’autres plus célèbres ont leur vie liée à l’eau tels Vénus (" celle qui sort de la mer "), Amphitrite (déesse de la mer), Poséidon ou Nérée (divinité marine).

L’eau comme référence dans le système métrique

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