Eau

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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 d'eau se compose d'un atome d'oxygène entre deux atomes d'hydrogène disposés en V très ouvert. L'eau lourde est un composé formé d'un atome d'oxygène et de deux atomes de deutérium, qui est un isotope de l'hydrogène (oxyde de deutérium, D2O).

L'eau se trouve presque partout sur la Terre et est un composé essentiel pour tous les organismes vivants connus. Le corps humain 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 ambiante (environ 1 bar), l'eau est gazeuse au-dessus de 100°C, solide en dessous de 0°C, et liquide dans les conditions normales de température et de pression. C'est là une particularité essentielle : les autres composés proches ou apparentés, (sulfure d'hydrogène, ammoniac, et méthane par exemple), sont tous gazeux à des températures bien plus basses.

Près de 70 % de la surface 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, une mer, un lac, un étang, un fleuve, une rivière, un ruisseau ou 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.

Sommaire

Bloc de glace sur une plage près de Jökulsárlón, en Islande
Cascades de Jonathan's Run

[modifier] Étymologie

Du latin aqua eau [1].

[modifier] Origine

Voir les articles Origine de l'eau sur la Terre et Origine de la molécule d'eau.

Selon la conception actuelle,

[modifier] Physique

[modifier] Propriétés générales

Eau
géométrie 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 moléculaire 18 u
Température
de fusion
0°C (273,15 K)
Température
de vaporisation
100°C (373,15 K)
Densité 1 (liquide)
Densité 0.9 (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 de vaporisation 2 257,92 kJ/kg
Chaleur latente de fusion 335 kJ/kg
Unités du SI & CNTP,
sauf indication contraire.

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

  • la température vaut 273,16 K (0,01°C) ;
  • la pression 611,2 Pa.

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

La vélocité du son dans l'eau est de 1 500 m/s dans les conditions normales de température et de pression.

La masse de 1 cm3 d'eau à la température de 4°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/m3, une tonne par mètre cube soit un kilogramme par litre.

La chaleur massique 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 Celsius la température d'un gramme 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 sérieuse qui présentent ce produit comme mortellement dangereux et à bannir.

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

Tableau 1:

Quelques Propriétés de l'eau en fonction de la température
Temp. (°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 de l'eau en fonction de l'altitude
Altitude (m) Temp. (°C)
0 100
4 807 (Mont Blanc) 85
8 848 (Everest) 72


[modifier] Propriétés de l'eau liées à la vie 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 de cohésion élevée, ce qui rend cette matière difficile à évaporer (température d'ébullition particulièrement élevée pour une molécule de cette masse molaire). Cela permet à une importante phase 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 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, a une conséquence remarquable : la glace flotte. De surcroît, le fait que la densité de l'eau 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 (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 particulièrement élevée permet le phénomène de capillarité, qui permet, entre autres, aux plantes de pousser et à de nombreux êtres vivants de se déplacer sur la surface de l'eau.

[modifier] Indice de réfraction de l'eau

Eau claire et transparente
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Eau claire et transparente

L'indice de réfraction n d'un milieu transparent est une mesure de sa capacité de changer la direction de propagation d'un rayon de lumière qui y entre. Si la lumière devait voyager dans l'espace vide puis pénétrer dans l'eau, on pourrait faire le rapport des sinus des angles d'incidence et de réfraction (mesurés à partir de la perpendiculaire 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 ou dioptre air-eau pour obtenir l'indice de réfraction de l'eau par rapport à l'air, 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 dans le vide à sa vitesse dans l'eau : la lumière 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 d'onde λ. Plus précisément, dans la partie visible du spectre électromagnétique (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. 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 (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'extrémum à 4°C, malgré le fait que la densité de l'eau soit maximale à cette température.

L'eau de mer 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 (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 sont 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 angströms = 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
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 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 de J., 20, 419 (RP1085) 1938.
  • E. Dorsey, « propriétés d'Eau-Substance ordinaire », (Reinhold Publishing Corporation 1940).

[modifier] Chimie

[modifier] Nature dipolaire de l'eau

dipôle de la molécule d'eau
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dipôle de la molécule d'eau

Une propriété très importante de l'eau est sa nature polaire. La molécule d'eau forme un angle 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 est appelée un dipôle (molécule polaire). 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 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 calorifique nécessaire pour briser les ponts hydrogènes), ainsi qu'une capacité calorifique élevée.

A 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 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. Une autre conséquence est que la glace fond quand suffisamment de pression lui est appliquée.

[modifier] Équilibre acidobasique

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°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 oxonium et hydroxyde sont très réactifs, ils peuvent attaquer d'autres matériaux, les dissoudre. On définit l'acidité grâce à la concentration en ion oxonium, 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 oxonium) ; à l'inverse, l'ajout de certains produits dits « basiques » 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 importance capitale en chimie minérale comme en chimie organique.

[modifier] L'eau comme solvant

eau naturelle oxygènée
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eau naturelle oxygènée

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 aux interactions électriques (la permittivité 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 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 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 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, parce que certaines réactions biochimiques n'ont lieu qu'en solution (par exemple, réactions dans le cytoplasme ou le sang.) 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 (notamment sur Mars et Europe).

[modifier] 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 qui se manifeste par la capillarité est utile dans le transport vertical de l'eau chez les végétaux et nuisible avec la remontée d'humidité dans les murs de maisons.

[modifier] 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 déionisée 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. Voir conductivité électrique(mesure).

[modifier] Décomposition de l'eau (thermolyse et électrolyse)

La première décomposition de l'eau fut faite par Lavoisier, en faisant passer de la vapeur d'eau sur du fer 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. Sous l'effet d'un courant qui la traverse, 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 et l'anode respectivement mais comme cette dissociation est faible dans la pratique on a recours à des catalyseurs 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 forment de bulles de gaz 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.

[modifier] Utilisation de l'eau

[modifier] L'eau dans l'alimentation

[modifier] Symbolique, usage et mythologie

pavillon islandais de l'Expo 2000 de Hanovre
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pavillon islandais de l'Expo 2000 de Hanovre
  • L'eau, élément vital pour l'homme, est la boisson naturelle par excellence.
  • 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.

[modifier] L'eau comme référence dans le système métrique

[modifier] Référence massique

À l'origine, un décimètre cube d'eau définissait une masse de un kilogramme (kg). 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 depuis 1889, date à laquelle la première Conférence générale des poids et mesures définit le kilogramme comme la masse d'un prototype de platine iridié conservé à Sèvres. Aujourd'hui à 4°C, la masse volumique est de 0,99995 kg/dm3. Cette correspondance reste donc une excellente approximation pour tous les besoins de la vie courante.

[modifier] Référence de température

Le système Celsius (à ne pas confondre avec le degré centigrade, qui est la division en cent parties d'une unité de mesure) fixe le degré 0 sur la température de la glace fondante et définit comme degré 100 la température de l'eau en ébullition sous pression atmosphérique normale. L'échelle est ensuite divisée en 100°. C'est ainsi que la température du corps humain est en moyenne de 37°. Il existe aussi le système Fahrenheit. Les scientifiques ont adopté la mesure Kelvin où le degré 0 est le zéro absolu en dessous duquel la température de la matière ne peut descendre.

[modifier] Référence de densité

On a fixé le degré 1 comme densité (masse volumique) de l'eau pure. Les matières ayant une masse volumique inférieur à 1 flottent sur l'eau. Celles qui sont supérieures à 1 coulent au fond de l'eau.

[modifier] Gestion des ressources et politique de l'eau

La multiplicité de ses usages fait de l'eau une ressource fondamentale des activités humaines. Sa gestion fait l'objet d'une surveillance permanente et affecte les relations entre les États. Voyez les articles consacrés à ces sujets :

En France, la gestion des ressources en eau est assurée par des agences de l'eau régionales. Sa distribution est un service public gérée au niveau de chaque commune ou EPCI, soit directement en régie, soit par délégation à une société privée (affermage, concession).

Il existe deux activités principales :

  • la production d'eau potable ;
  • l'assainissement (ou épuration).

[modifier] Purification de l'eau, production d'eau potable

Voir l’article Eau potable en France.

(pour la France)

De l'eau potable 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.

[modifier] Épuration, assainissement

Voir l’article Épuration des eaux.

L'épuration, ou assainissement, est l'activité qui consiste à épurer les eaux usées issues de l'activité industrielle, des usages domestiques, ou autres, avant leur rejet dans la nature. Ce processus est de plus en plus nécessaire, afin d'éviter la pollution et les nuisances sur l'environnement.

[modifier] Voir aussi

Vous pouvez également consulter les articles suivants sur les autres projets Wikimedia :

[modifier] Liens internes

[modifier] Références

  1. (http://hera.crdp.ac-aix-marseille.fr/ D'où vient le mot eau)

[modifier] Liens externes

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