L'eau est un corps particulier, qui a son maximum de densité [d=1] à 3,98°C, ce qui a donné naissance à la première définition du kilogramme.
Cela est lié à la forme en V de sa molécule, et a ses propriétés de dipôle.
En l'état liquide usuel, le V fait un angle de 104,45° [il y a donc une hybridation 2s -2p dans l'oxygène pour former 4 nouvelles orbitales hybrides sp3], et le moment dipolaire est de de 1,83 D (= 6,1.10-30 C.m).
Les centre de masses [+] et [-] s'attirent fortement d'une molécule à l'autre, créant une liaison dont la stabilité se situe entre celles physiques usuelles et celles chimiques ; on lui attribue un nom spécifique :
'pont hydrogène' ou 'liaison hydrogène'.
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L'eau peut former jusqu'à 4 liaisons hydrogène avec ses voisines. Ces liaisons sont plus fortes que celles de VAN DER WAALS.
De telles liaisons peuvent exister dans la vapeur d’eau, mais l’énergie d’agitation des molécules y étant supérieure à l'énergie de ces liaisons, les molécules ne peuvent s’associer en grand nombre. Elles peuvent tout au plus s’associer par deux ou par trois pour former ce que l’on appelle des dimères ou des trimères. Dans l’eau liquide en revanche, les molécules d’eau s’associent les unes aux autres sous la forme de paquets de grande taille qui se font et se défont en permanence.
L’eau est le seul liquide à développer un aussi grand nombre de ces liaisons hydrogène qui jouent un rôle extrêmement important en lui conférant des propriétés très particulières. Malgré la présence de ces liaisons, dans l’eau liquide les molécules d’eau ont encore la possibilité de changer de positions, car l'agitation thermique est encore importante et a pour effet principal de permettre à ces liaisons de se tordre.
Propriétés spéciales induites :
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- point d'ébullition élevé (quantité d'énergie calorifique nécessaire pour briser les ponts hydrogènes)
- chaleur latente d'évaporation/condensation considérable
- capacité calorifique élevée
- densité de liquide supérieure à la densité de glace
- pouvoir de cohésion, adhérence et tension superficielle
- ► l'eau se dilate quand elle gèle
La densité de la plupart des substances augmente au cours de leur congélation. Le refroidissement de l'eau augmente aussi sa densité mais étonnamment jusqu'à un maximum atteint pour une température de 3,98°C. Ensuite, l'eau se dilate en se refroidissant davantage.
La raison en est encore une fois liée aux liaisons hydrogène: en effet, la glace se forme quand la vitesse des molécules d'eau n'est plus assez élevée pour rompre les liaisons hydrogène. Il apparaît alors un réseau cristallin où toutes les molécules d'eau sont liées à 4 molécules voisines par liaisons hydrogène. Ces liaisons maintiennent les molécules éloignées les unes des autres, diminuant ainsi la masse volumique de l'eau.
L'eau est donc l'une des rares substances qui possède une masse volumique moindre à l'état solide qu'à l'état liquide. La conséquence physique est que la glace flotte et en hiver seule la surface des étendues liquides gèlent. La couche de glace joue alors le rôle d'un isolant thermique qui empêche le fond des océans et des rivières de geler, préservant ainsi des conditions propices à la vie.
▲http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=5754
▲http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/decouv/proprie/5eauLiquid.html
▲http://ead.univ-angers.fr/~jaspard/Page2/COURS/3CoursdeBiochSTRUCT/1EAU/1H2O.htm
► « L'eau est structurée de cette façon pour ne pas geler à sa profondeur et expulser les poissons à l'air libre ? »
La glace, moins dense que le liquide, se tient en surface.
Étant un bon isolant thermique, elle empêche les déperditions par convection de l'air, donc restreint le refroidissement de l'eau qui est en dessous.
► En outre, c'est le point primordial, la température de changement d'état liquide-solide dépend fortement de la température.
• Si tu marches sur de la glace sèche, ton poids la fait fondre en surface, et tu peux te casser la g … tomber !
• Tu attaches deux masses aux extrémités d'un fil métallique, et tu mets l'ensemble à cheval sur une barre de glace : le fil va traverser la barre sans la couper, liquéfiant la glace en dessous par la pression, cette fraction liquéfiée se re-solidifiant au dessus, quand la pression a disparu.
L'eau étant dense, la pression y augmente rapidement avec la profondeur, à raison d'environ un bar tous les dix mètres [1 bar = 100 000 Pa]. L'eau ne gèle donc pas en profondeur.