Annexe - Olympiades de chimie

28ème Edition des Olympiades Nationales de la chimie – Académie d’Aix-Marseille - Le 1er Février 2012
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ANNEXE -
L’eau extraordinaire
L’eau est partout, dans l’air, sur terre, sous terre, dans notre corps. Elle est indispensable à la vie.
Mais d’où nous vient l’eau et qu’est-ce qui la rend si extraordinaire ?
Les origines de l’eau : de l’espace à la Terre
Le premier élément formé dans les minutes qui ont suivi le « big bang » fut l’hydrogène qui
demeure l’élément le plus abondant dans l’univers. C’est ensuite au sein des étoiles où règnent des
températures extrêmement élevées que se forment les principaux éléments chimiques. A plusieurs
millions voire plusieurs centaines de millions de degrés, les réactions de fusion nucléaire vont
conduire à la formation d’Hélium (42He), de carbone (126C), d’azote (147N), d’oxygène (168O) etc… A
la fin de ce long processus, lorsque l’étoile explose, les éléments sont disséminés et c’est finalement
dans l’espace où la température est très basse (2,7K en moyenne) que vont se former les molécules.
La grande affinité des atomes d’hydrogène et d’oxygène explique la formation rapide de la
molécule d’eau qui se trouve dans l’espace, à l’état gazeux ou solide (glace). L’eau nous vient donc
des étoiles !
La présence d’eau liquide sur Terre
Sur Terre, l’eau se trouve à l’état solide,
gazeux, mais aussi liquide. Ce qui, pour
l’instant, est considéré comme exceptionnel
dans notre Univers où on ne la trouve que sous
forme solide et gazeuse.
La présence d’eau liquide sur la Terre
s’explique par le fait que sa distance au Soleil
conduit à des températures compatibles avec
cet état. L’autre raison qui a permis de
conserver l’eau sur terre est que notre planète a
une masse suffisante pour générer une force de
gravitation permettant de la retenir dans
l’atmosphère.C’est donc grâce à notre
atmosphère et aux températures qui règnent sur
notre planète qu’on y retrouve l’eau dans tous
ses états.
Fig.1 Les états de l’eau
Mais plus que les conditions atmosphériques (pression et température) offertes par la Terre, ce sont
les propriétés physico-chimiques de l’eau elle-même qui sont considérées comme exceptionnelles.
L’eau et ses propriétés physico-chimiques particulières
La première observation surprenante concerne les températures de changement d’état de l’eau.En
effet, sous la pression atmosphérique, si la température de passage de l’état solide à l’état liquide est
de 0 °C. Cette température de fusion de la glace est anormalement élevée pour un corps de si faible
masse molaire moléculaire (18 g.mol-1). Ainsi, dans les mêmes conditions de pression, le sulfure
d’hydrogène H2S (34 g.mol-1) fond à -86 °C. On pourrait faire le même constat pour la température
d’ébullition de l’eau.
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Les figures 2 et 3 donnent les températures de changement d‘état à pression atmosphérique des
petites molécules hydrogénés
Fig.2
H2O
H2S
H2Se
H2Te
NH3
PH3
AsH3
SbH3
HF
HCl
HBr
HI
CH4
SiH4
GeH4
SnH4
Fig.3
Masses molaire
(g.mol-1)
18,0
34,1
81,0
129,6
17,0
34,0
77,9
124,8
20,0
35,5
80,9
127,9
16,0
32,1
76,6
122,7
Une autre observation troublante concerne la densité de l’eau qui diminue en passant de l’état
liquide à l’état solide. Propriété extrêmement rare qui explique que l’eau solide (glace) flotte à la
surface de l’eau liquide !
Fig.5 L’eau largement utilisée pour le
refroidissement des centrales nucléaires
Fig.4 Iceberg à la dérive dans l'Antarctique
L’eau présente de nombreuses autres propriétés étonnantes mais citons enfin sa chaleur massique
(ou capacité thermique massique) qui est, après celle de l’ammoniac (NH3), la plus élevée des
liquides avec 4,18 103J.kg-1.°C-1. Cette propriété lui donne une grande inertie thermique et explique
la régulation qu’opèrent les océans sur nos climats. Ainsi, la température dans l’eau ne subit
généralement pas de variations brusques comme cela peut se passer dans l’air. Voilà qui explique
aussi que l’on ait si souvent recours à l’eau pour les systèmes de refroidissement ou pour maintenir
une certaine température dans les procédés industriels et chimiques.
Toutes ces « anomalies » peuvent être expliquées par la structure de l’eau (liquide ou solide) qui
présente une très forte cohésion grâce à la présence de liaisons hydrogène.
Les liaisons hydrogène sont des interactions de
faible énergie (environ 30 kJ.mol-1) qui s’exercent
entre un atome d’oxygène et un atome d’hydrogène
éloigné, c’est-à-dire qui n’appartiennent pas à la
même molécule..
Même si l’énergie de ces interactions est très faible
devant l’énergie d’une liaison covalente O-H (de
l’ordre de 400 kJ.mol-1) les liaisons hydrogène ont
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H
H
O
O
H
Liaison
covalente
Liaison
hydrogène
Fig.6liaison hydrogène entre deux molécules d’eau
H
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un influence considérable sur l’ensemble des propriétés de l’eau (cohésion de la matière et donc
température de changement d’état, densité, mais aussi propriétés de solvatation etc…).
Fig.7 Structure de l’eau liquide
Fig.8 Structure de l’eau glace
On voit sur les figures 7 et 8 qu’à l’état solide comme à l’état liquide les molécules d’eau présente
une organisation microscopique gouvernée par les liaisons hydrogène (en pointillés).
Les « liaisons hydrogène » correspondent à des interactions de nature électrostatique qui résultent
de la polarisation de la liaison covalente oxygène hydrogène. En effet, la liaison oxygènehydrogène est polarisée, et cela a une autre conséquence importante sur la molécule d’eau, qui, du
fait de sa géométrie coudée, présente un moment dipolaire important.
Du fait de sa polarité, l’eau apparait comme un solvant idéal pour tous les solides ioniques. Elle
peut aussi solubiliser des composés organiques lorsque ces derniers sont susceptibles de faire des
liaisons hydrogène avec l’eau, ou lorsqu’ils présentent une partie polaire, voire même une partie
chargée susceptible d’interagir favorablement avec l’eau.
Ainsi, l’eau dissout efficacement les sels et permet de transporter des ions ou molécules hydrophile
d’un endroit à un autre, comme des éléments nutritifs dans notre corps, dans les plantes, le sol…
Solubilité de quelques composés dans l’eau (à 25°C)
Chlorure de Sodium
Chlorure de Calcium
Saccharose
Formule chimique
NaCl
CaCl2
C6H1206
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Masse molaire g.mol-1
58,5
111,0
180,2
Solubilité g.L-1
357
750
700