Les propriétés de l'eau

Par le Centre d'information sur l'eau, le mardi 17 juillet 2012 16:11

La liaison hydrogène est à l'origine des propriétés chimiques et physiques particulières de l'eau.

eau

L'eau peut se trouver sous trois états : liquide, solide et gazeux. Seul ce dernier état correspond exactement à la formule classique de la molécule d'eau H2o. Les deux autres, liquide et solide, sont plus compliqués, et c'est cette complexité qui leur confère leurs propriétés exceptionnelles.

Propriétés chimiques

L'eau est une substance qui a une forte propension à dissoudre d'autres éléments. De ce fait, elle peut attaquer les parois d'un récipient qui la contient, sculpter des paysages. Elle peut aussi dissoudre des gaz présents dans l'air comme le gaz carbonique ou l'oxygène (oxygène dissous). L'eau contenue dans le corps humain sert de support à la multitude de réactions et d'échanges qui sont nécessaires à la vie.

L'eau vraiment pure n'existe pas. La définition de l'eau pure diffère suivant les usages que l'on veut en faire. Ainsi, un buveur d'eau n'aura pas les mêmes critères d'appréciation qu'un chimiste. Le premier voudra une eau débarrassée des germes mais pas des sels minéraux sans laquelle elle serait imbuvable. Le second cherchera à la débarrasser de ses cations et de ses anions mais ne se préoccupera pas de la présence de matières organiques.

La première opération chimique réalisable avec l'eau est sa dissociation en protons H+ et en ions hydroxyles OH-. La répartition entre les deux se mesure avec le pH (potentiel hydrogène). L'échelle va de 0 à 14 : plus on se rapproche de 0, plus l'eau est acide, plus on se rapproche de 14, plus elle est basique. L'eau est neutre lorsque son pH est à 7.
L'eau joue un rôle très important dans toutes les réactions chimiques qui impliquent des matières chargées électriquement.

Outre ses qualités chimiques propres, l'eau est un excellent véhicule, notamment pour les agents agressifs comme les acides ou le gaz carbonique. Le gaz carbonique dans l'eau se transforme en un acide faible qui dissout, entre autres, le calcaire. Cependant, une élévation de température ou une aération de l'eau précipite le calcaire sous forme de tartre. De la même façon, l'eau des océans régule la teneur en gaz carbonique de l'atmosphère.

Propriétés physiques

L’eau a de nombreuses propriétés physiques assez particulières.

Le principe d'Archimède

Le principe d'Archimède s’énonce ainsi : "Tout corps plongé dans un liquide subit une poussée vers le haut équivalente au poids du liquide qu'il déplace". Ce principe se fonde sur la réalité de la pression hydrostatique : la masse d'un corps est neutralisée par une poussée hydrostatique vers le haut. La poussée hydrostatique est toujours égale au poids de l'eau déplacée par le corps. Si le corps est plus dense que l'eau, il coule ; s'il est moins dense, il flotte; si sa densité est la même, le corps reste flottant à n'importe quelle profondeur.

L'application la plus courante de cette propriété est la flottaison des bateaux assurant les transports maritimes et fluviaux.

Le principe de Pascal

L'eau ne peut pas se comprimer, ni augmenter de volume, c'est le principe de Pascal. Si on lui fait subir une pression, elle va retransmettre cette pression subie. La pression d'une masse liquide est la même sur tous ses points d'application. C'est sur la base de ce principe que fonctionnent des appareils tels que les presses hydrauliques ou les systèmes de freinage hydrauliques.

Autres propriétés physiques

Une des propriétés physiques les plus particulières de l'eau est que, lorsqu'elle gèle dans les lacs, les rivières..., elle ne commence pas à geler par le fond mais par la surface. C’est dû au fait que la glace est plus légère que l'eau. L’eau augmente de volume en se solidifiant, sa densité va donc être moindre.

La densité est le rapport de la masse par rapport au volume :

densité de la glace : 0,920 g/cm3 - densité de l'eau : 0, 997 g/ cm3.

Ainsi, la glace va flotter à la surface de l'eau. On peut observer ce phénomène en mettant des glaçons dans un verre d'eau, on constatera que les glaçons remontent automatiquement vers la surface. Le coefficient de compressibilité isotherme est petit mais suffisant pour abaisser le niveau des mers de 40 mètres. En conséquence, lorsqu'il y a de grandes décompressions atmosphériques, liées à des tempêtes, le niveau des mers remonte. La tension superficielle est aussi très élevée, ce qui permet à l'eau de s'insérer partout, dans les crevasses, les rochers... et ainsi, lorsqu'elle gèle, de faire éclater les rochers. L'eau tient une part importante dans le modelage de nos paysages.

Propriétés thermodynamiques

Les propriétés thermodynamiques de l'eau sont très utilisées dans la vie courante.

L'eau un fournisseur d'énergie

Les propriétés thermodynamiques de l'eau ont commencé à être utilisées de façon empirique bien avant d'être démontrées de façon scientifique. L'énergie mécanique fournie par l'eau a été utilisée pour faire tourner les roues à eau, les moulins... Puis on va se servir de l'énergie fournie par les propriétés thermiques de l'eau. Ainsi la machine à vapeur, créée par Watt en 1769, utilise l'énergie fournie par la transformation de l’eau en vapeur, sous l'action combinée de la chaleur et de la pression. Les premiers trains à vapeur utilisaient ce système.

Les variations de température de l'eau

L'eau change d'état à une température qui dépend de la pression. L'eau se solidifie à 0 °C et devient vapeur à 100 °C. Cependant, la pression peut modifier ce rapport. Ainsi en haut de l'Everest, l'eau bout à 72 °C, la température d'ébullition décroissant avec la pression. C'est également ce qui permet aux patineurs de glisser sur la glace. En réalité, ils glissent sur une fine pellicule d'eau formée sous la pression du patin. Cette fine pellicule se solidifie immédiatement après le passage du patin.

L’eau peut rester liquide à des températures inférieures à celles auxquelles elle gèle habituellement, jusqu'à - 40 °C : c'est ce que l'on appelle le phénomène de "surfusion". C’est dû au fait qu'il faut souvent un petit corps solide ou une bactérie pour commencer ce processus de solidification. C'est ce procédé qui est appliqué pour la fabrication de la neige artificielle dans les stations de sports d'hiver.

L'eau un très bon conducteur

L'eau est également un conducteur, propriété souvent utilisée, notamment pour le transport d'énergie. Par exemple, l'eau a une très bonne conductivité thermique, à
peu près quatre fois supérieure à celle des autres liquides. La principale application de cette propriété est domestique, c'est le chauffage central.

L'eau est un mauvais conducteur électrique lorsqu'elle est pure, mais lorsqu'elle est minéralisée, qu'elle contient des sels dissous, elle devient conductrice de l'électricité.
C'est pour cette raison que l'installation de prises électriques dans les salles de bain est strictement réglementée en raison des risques d'électrocution que cela peut provoquer.

La chaleur spécifique de l'eau est une autre de ses propriétés. L'eau peut emmagasiner de grandes quantités d'énergie, et peut ainsi fortement influer sur les écarts de température terrestre. C'est pour cela que les climats dits "continentaux" connaissent des écarts de température bien plus importants que les climats océaniques, ces derniers étant adoucis par l'influence des océans.

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