Les philosophes anciens considéraient l'eau comme un élément de base caractérisant toutes les substances liquides. Les scientifiques n'abandonnèrent pas cette idée avant la seconde moitié du XVIIIe siècle. En 1781, Henry Cavendish réalisa la synthèse de l'eau en faisant exploser un mélange d'hydrogène et d'air. Cependant, les résultats de ses expériences ne furent pas clairement interprétés avant 1783, lorsque Antoine (Laurent) de Lavoisier suggéra que l'eau n'était pas un élément, mais un composé d'hydrogène ET d'oxygène.

NOTES - Rappel de la formation des éléments dans le système solaire (et dans l'univers).

(source Futura Sciences)

Ainsi, selon les conditions de production, les éléments peuvent ainsi provenir :

• du Big Bang (en bleu foncé dans le tableau ci-dessus) en ce qui concerne l'hydrogène (H) et une grosse partie de l'hélium (He). Très abondants dans le cosmos, ceux-ci sont la matière première des autres éléments du tableau périodique, lesquels n'ont pu être créés par la suite que dans le chaudron des étoiles plus ou moins massives
  
• d'étoiles massives qui explosent en supernovae, un processus violent (en vert dans le tableau ci-dessus) qui signe la création, par exemple, l'oxygène (O), le sodium (Na), le fluor (F), le magnésium (Mg) ou le néon (Ne),
  
• de la mort d'étoiles beaucoup moins massives (en jaune dans le tableau ci-dessus), comme le Soleil. Celles-ci, en expirant doucement après une existence de plusieurs milliards d'années, sont la source d'une grande partie du carbone (C), de l'azote (N), du lithium (Li), etc. que nous renfermons dans notre corps,
  
• d'explosions de naines blanches (en bleu clair dans le tableau ci-dessus), qui sont responsables en majorité du fer (Fe), du chrome (Cr), du vanadium (V), du cuivre (Cu) ou encore du zinc (Zn),
  
• de la fusion d'étoiles à neutrons (en orange dans le tableau), très compactes, ce qui a principalement généré des éléments comme le bismuth (Bi), le polonium (Po), le radon (Rn), le francium (Fr) et environ la moitié de ruthénium (Ru), du cadmium (Cd), de l'antimoine (Sb), de tellure (Te), de tantale (Ta), de tungstène (W), etc,
  
• des rayonnements cosmiques (en rose dans le tableau), ce qui est moins fréquent. Cela concerne tout le bore (B), le béryllium (Be) que nous trouvons dans le Système solaire et aussi une petite partie du lithium (Li). ----------------------------------------------------

Rappel de quelques Termes ou expressions utilisés en chimie : lien interne

Dans une étude scientifique présentée en 1804, Joseph Louis Gay-Lussac et Alexander von Humboldt démontrèrent conjointement que l'eau (masse molaire 18,0153), était constituée de

2 atomes d' hydrogène ou protium (lien interne sur l'hydrogène gazeux) et 1 d'oxygène (lien interne sur l'oxygène gazeux), soit, H₂O,

La représentation proposée ci-dessous, résultat d'un calcul rigoureux effectué par des scientifiques, montre les régions au sein desquelles la probabilité de trouver une paire d'électrons, et une seule, est la plus grande.
La molécule d’eau possède en effet au total dix électrons dont huit proviennent de l’atome d’oxygène, les deux autres provenant des deux atomes d’hydrogène.

(Image réalisée par Bernard Silvi et Andreas Savin, Laboratoire de chimie théorique, CNRS, Paris)

Les lobes bleus figurent les domaines où se situent préférentiellement les paires d'électrons qui assurent les liaisons oxygène - hydrogène au sein de la molécule (une paire pour chaque liaison).
La petite sphère rose matérialise le domaine des deux électrons de l’atome d’oxygène qui ne participent pas aux liaisons chimiques, et que l’on appelle des électrons "de cœur".
Enfin, le domaine rouge-orangé correspond aux 4 derniers électrons de l’atome d’oxygène groupés par paires. Ces électrons dits "libres", très importants, sont ceux qui permettent la formation des fameuses liaisons hydrogène.

L'eau contient en fait de très faibles quantités :

• d'eau lourde de formule D₂O, avec, D (ou Deutérium) étant l'isotope 2 de l'hydrogène ²H₁ (voir le lien interne vers isotopes),
  
• de l'eau superlourde T₂O, avec le Tritium T (isotope 3 de l'hydrogène, ³H₁ ),
  [Tritium, masse atomique : 3,0160492], radioactif, qui se désintègre en 12 ans et 4 mois [ réaction de désintégration : ³H₁ > ³ He₂ + ⁰ e_-1 (formation d'hélium 3 + 1 électron négatif) ],
  
• et également HTO (eau tritiée).

[voir les pages internes sur les eaux lourdes et superlourdes].

Mais également trois isotopes de l'oxygène (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O), ce qui fait que l'eau est constituée de molécules de masses très variées :

Il faut noter que l'hydrogène (lien interne sur le gaz H₂) est l'élément le plus abondant de l'univers connu (le 10^ème dans la croûte terrestre), et l'oxygène (lien interne sur le gaz O₂) est le plus abondant sur terre : 46 % de l'écorce terrestre, soit environ 1,3.10²⁴ kg dans la croûte terrestre et 1,5.10²¹ kg libre.

Nota : le rapport D/H de l'eau des océans de la Terre est de 1,55 10^-4 . La valeur du rapport D/H terrestre étant comprise dans la gamme des rapports D/H des astéroïdes situés entre Mars et Jupiter, l’eau des océans sur Terre pourrait ainsi provenir préférentiellement des astéroïdes et de certaines comètes.
Ces résultats importants a été publiés en 2014 dans la revue Science Express.

Valeurs des rapports deutérium/hydrogène (D/H) dans différents objets du Système solaire, regroupés par couleur avec les planètes et satellites (bleu), les chondrites de la ceinture d’astéroïdes (gris), les comètes originaires du nuage de Oort (violet) et les comètes joviennes (rose/orangé). © B. Marty, Esa, Altwegg et al.

suite :


La disposition spatiale des atomes (O en rouge) >
peut présenter différents types structuraux.

Chaque liaison O–H mesure 0,9584 Å (1 Å = 10^-10 m) et l'angle formé par les atomes d'hydrogène est de 104,45º. Elle constitue en fait un édifice macromoléculaire lacunaire, ayant des espèces moléculaires de proportions variables, en fonction de la pression et de la température, lui donnant la faculté d'intégrer un grand nombre de substances étrangères.

Quelques anomalies constatées sur l'eau sont expliquées par cet édifice particulier.
Si l'on considère des corps dont les molécules sont constituées de deux atomes d'hydrogène et d'un élément du même groupe (16) de la table périodique des éléments (colonne dont fait partie l'oxygène); les températures de fusion et d'ébullition de ces corps forment une série régulière (à cause des forces d'attraction de Van der Walls qui augmente en même temps que la masse moléculaire).
L'eau fait exception à cette règle, comme le montre le tableau suivant (dans les conditions de pression atmosphérique "normale") :

Elément	Molécule	Point de fusion (°C)	Point d'ébullition (°C)
Tellure (Te)	H2Te	-53	-5
Sélénium (Se)	H2Se	-65	-45
Soufre (S)	H2S	-83	-63
Oxygène (O)	H2O	0	100

Nota : si l'eau suivait la règle, la fusion serait à -110°C et l'ébullition à -80°C !

Liaisons polaires : un des atomes attire plus les électrons que l'autre, il tend donc à être chargé négativement et l'autre à être chargé positivement car les électrons vont rester plus longtemps autour de lui. Un tel élément est dit électronégatif., et par ailleurs les charges de signes contraires s’attirent.

L'eau est formée par de telles liaisons dites polaires. L'oxygène très électronégatif tend donc à être chargés négativement tandis que les deux atomes d'hydrogène tendent à être chargés positivement. Cette polarité est une propriété extrêmement importante de la molécule d’eau.
Les molécules à l’intérieur de laquelle les charges ne sont pas réparties de manière homogène, possédent donc des liaisons polaires qui peuvent interagir facilement avec l'eau, et sont donc solubles. La plupart des molécules biologiques, peuvent le faire et se lier ainsi entre elles ou avec des molécules d’eau. Dans l'ADN par exemple deux brins sont liés entre eux par liaisons hydrogène.
Ces liaisons, dues à la polarité, s’établissent donc entre les atomes d’hydrogène de certaines molécules d’eau et les atomes d’oxygène de molécules d’eau voisines, ces interactions étant plus fortes que celles des forces de Van der Waals (> Loi de VdW, et autre lien sur ces forces).
On les appelle des " liaisons hydrogène ".

Les liaisons hydrogènes et leurs mouvements confèrent à l'eau ces propriétés physiques étonnantes : si elles n'existaient pas, l'eau serait gazeuse aux conditions normales de température et de pression (CNTP : 0°C, 1 013.25 hPa).

Liaison intermoléculaire, plus faible qu’une liaison chimique (environ dix fois plus faible, et peuvent être tordues et même brisées facilement), la liaison hydrogènene s’établit qu’entre certaines molécules et implique toujours un atome d’hydrogène.
Chacun des atomes d'hydrogène d'une molécule d'eau, qui a tendance à être positif, se lie à l'atome d'oxygène d'une autre molécule d'eau. Un atome d'hydrogène, déjà lié de façon covalente à un atome électronégatif et donc potentiellement positif, va être attiré vers un autre atome électronégatif (oxygène ou azote par exemple).
L’énergie de formation de la liaison hydrogène est de l'ordre des énergies mises en jeu dans les fluctuation thermiques à la température ambiante (27° Celsius). Aussi, de telles liaisons peuvent-elles se tordre, se rompre ou se restaurer à cette température.
Toutes les molécules possédant des groupes carbonyles (C=O) polaires peuvent également se lier par liaisons hydrogène aux molécules d’eau. Mais la molécule d’eau est capable d’établir jusqu’à quatre de ces liaisons. Dans l'eau liquide ou la glace, où il n’y a que des molécules d’eau, cela permet d’avoir un nombre de liaisons hydrogène particulièrement élevé : autant que de liaisons de valence.

De telles liaisons peuvent exister dans la vapeur d’eau (lien interne sur la vapeur), 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.
Toutefois, même dans de l'eau liquide à des échelles de temps et de distances très courtes, des molécules d'eau s'assemblent très transitoirement du fait des fameuses liaisons hydrogène en donnant des structures cristallines, appelées « des clusters d'eau ».
Nota : ces liaisons sont très furtives, de l'ordre du millième de millardième de seconde...(10^-15 s ou 1 picoseconde).

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.
Ce type de liaison est ainsi responsable des propriétés de cohésion, d'adhérence et de tension superficielle de l'eau.
La liaison hydrogène est aussi capable de transférer des ions H⁺ entre les molécules qu'elle lie. Cette propriété est très importante car elle est à l’origine de la réactivité des milieux aqueux. Sans elle, ceux-ci seraient inertes et la vie ne serait pas possible, car les molécules biologiques doivent en permanence réagir pour rester actives. On soupçonne que ce sont les molécules H₂O qui autorisent ces transferts d’ions H⁺ en établissant certaines liaisons hydrogène spécifiques (des molécules telles que des protéines par exemple peuvent réagir).

Structure moléculaire de la surface de l’eau (à l’état liquide) :
L’interface liquide-vapeur à la surface de l’eau est l’un des environnements hétérogènes à la fois le plus commun et le plus mystérieux. Les mesures expérimentales de sa structure moléculaire sont délicates à réaliser et les modèles actuels ne s’entendent pas sur les résultats. Pourtant, comprendre la structure moléculaire de la surface de l’eau pourrait permettre de mieux comprendre les interactions qui sous-tendent de nombreux processus biologiques.
Le modèle quantique utilisé par des chercheurs britanniques - [ Laboratoire national de physique (NPL), et avec la collaboration de l’Institut national de mesure, IBM et de l’université d’Édimbourg ] - est basé sur une particule chargée fictive dans le modèle de Drude, nommée "oscillateur de Drude" ou "modèle de l'électron amorti" (Paul Drude est un physicien allemand).
Dans le cas d’une molécule d’eau, cette particule est attachée à l’atome d’oxygène par le biais d’un ressort harmonique, mimant la façon dont les électrons d’une véritable molécule d’eau oscillent et réagissent à leur environnement. Des informations auxquelles les modèles classiques ne donnent généralement pas accès et qui, surtout, donnent une idée précise des propriétés moléculaires de l’eau liquide.
C’est la première fois que le modèle de l’oscillateur de Drude est appliqué à une interface liquide-vapeur. Les résultats des chercheurs britanniques montrent que l’asymétrie intrinsèque des liaisons hydrogène est responsable de l’orientation des molécules de surface. Et le modèle permet également de prédire la dépendance à la température de la tension superficielle de l’eau avec une précision de 1 %.


Nouveaux :
>>> page spéciale, par rapport aux effets quantiques,
>>> page spéciale, par rapport aux particules élémentaires.

C'est peut-être là leur rôle fondamental, et ce serait grâce à ce phénomène que la vie est née dans l'eau, et s'y poursuit !


NB :
Liens web :
> CNRS (liaison hydrogène),
> un tableau périodique des élements original, en vidéos (University of Nottingham, en anglais).

Téléchargement d'un logiciel remarquable et indispensable :
> Classification Périodique des Éléments (zip, 21 Ko) > CPE de Paul Roux [paroux@francenet.fr].

Humour > le monoxyde de dihydrogène (Dihydrogen Monoxide - DHMO) - (lien externe).
Humour lourd'eau :

Propriétés physiques de l'

(pour le retour ici, veuillez utiliser celui de votre navigateur : [par exemple])

Propriétés "suite".
Rappel des changement de phases d'un corps :

et, plus précisemment pour l'eau :

NB : °C = Kelvin (K) - 273,15, (Pc,Tc = pression et température critiques, Pt = point triple)

La compressibilité de l’eau réserve quelques surprises puisque son coefficient diminue quand la température s'élève (égal à 5,01x10^-5 à 0°C), et passe par un minimum à 50°C (4,4x10^-5). En fait, si l'eau était rigoureusement incompressible, le niveau de la surface des océans serait plus élevé de 30 m !
Malgré cette particularité, l’eau reste un liquide très faiblement compressible.
Ses propriétés physiques ont fait de l'eau un étalon pour les échelles de température et pour la définition originale de l'unité de masse dans le système métrique, le gramme (g).
En comprimant l’eau liquide, elle devient encore plus fluide contrairement à ce qu’il se passe pour tous les autres corps.

Nota : le coefficient de compressibilité de l'air à pression atmosphérique vaut environ 10^-5 Pa^-1, et celui de l'eau environ 5·10^-10 Pa^-1, l'eau est donc vingt mille fois moins compressible que l'air.

La dilatation de l'eau, en se congelant, se produit d'autant plus rapidement avec une variation de température, qu'elle est froide et en dessous de 4 °C. Le phénomène est censé être maximal à -44 °C.
C'est à cette température que des chercheurs (équipe internationale, dont plusieurs sont en poste à l'université de Stockholm) ont mené leurs expériences pour étudier la prise en glace, par la technique de diffraction des rayons X employée en cristallographie.
Il a donc été confirmé que l'eau était bien un mélange complexe oscillant perpétuellement entre deux liquides différents. Mais surtout, les chercheurs en tirent la conclusion que les deux liquides entre lesquels l'eau fluctue peuvent en fait se séparer en deux phases de densités différentes, comme le ferait l'eau et l'huile (comme l'explique comme l'explique dans une vidéo, Anders Nilsson, professeur de physico-chimie à l'université de Stockholm).
En bonus, ces travaux ont montré des différences selon que l'eau était ou non de l'eau lourde D2O. Ces différences doivent provenir d'effets quantiques résultant de l'influence des noyaux d'hydrogène sur les cortèges d'électrons.

- Masse volumique [M_V] ou densité en fonction de la température :
> irrégulière, avec un maximum à 3,982°C [277,13 Kelvin] = 999,97 kg/m3 (soit ± 1000 pour env. 4°C)

NOTA : sous 1 atm, soit 101 325 Pa [newton / m²]
(Handbook of Chemistry and Physics - 65th (1985) - F4)

 Nota : masse volumique de la glace : 917 kg/m3 à 0°C (999,8 pour l'eau pure).

A noter que la température du maximum de densité s'abaisse avec l'augmentation de la pression :

P (atm)	1	2,85	5,5	8,6	10,5
Tmax °C	3,982	3,9	3,7	3,5	3,4

NB : pour les Eaux marines (beaucoup plus minéralisées), il en est autrement que pour l'eau pure, voir éventuellement, les pages sur l'eau de mer.

La vitesse du son (célérité du son) dépend fortement de la densité de matière traversée et de la température (il n'y a donc pas de son dans le vide), dans l'eau elle est d'environ 1 500 m/s, soit 5 580 km/h);
( dans l'air, 340 m/s [1 224 km/h] à 15°C, et dans l'acier, environ 5 600 m/s [20 160 km/h] ).
Dans l'eau pure : 1 482,343 m/s (5 336,435 km/h) à 20 °C.

La vitesse du son dans l'eau salée (c) peut être calculée, à titre d'exemple, par la formule suivante (source ISTV) :

avec, c vitesse du son en m.s^-1, T température en °C, S salinité et z la profondeur en m,
(on considère que la pression est hydrostatique).
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nota : formule approchée qui permet d'obtenir la célérité du son c dans l'air, au niveau du sol, de -20 à +40 °C, avec une incertitude inférieure à 0,2 % :

avec T, température en °C
NB. Cette vitesse c, diminue avec l'altitude :

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

La tension superficielle (ou tension de surface) est la plus élevée de tous les liquides (elle explique la capillarité, les ménisques, et la formation des gouttes d'eau et des vaguelettes !). Elle varie en fonction de la température et de la salinité.
(ci-joint la TS en milli-newtons par mètre [mN.m^-1] pour une eau de salinité 0) :

> voir éventuellement, les pages spéciales : tension_sup ( et eau de mer ).

- Ebullition : sous la pression de une (1) atmosphère (1013,25 hPa), l'eau pure bout à 99,975 °C (373,125 K), mais par convention à 100°C (373,15 K), et, à noter que la salinité augmente le point d'ebullition : voir pages eb_salinite.

(> voir également les pages spéciales sur la vapeur)

- Congélation : 0°C (273,15 K), elle décroît avec la pression. et subie une augmentation de volume d'environ 10%, et par ailleurs la salinité abaisse le point de congélation : voir pages cong_salinite ( et voir les pages spéciales sur la glace ).

- Chaleur de formation (DH_{f (298 K)} ) : [H2(g) + O2(g) > H2O(g)] = -285,1 kJ mol^-1 ( 15 825,45 - kJ. kg)
NB -inversement (chaleur de décomposition) - H2O(g) > H2(g) + O2(g) : DHf = +242 kJ mol^-1 (15 825,45 kJ . kg, 4,396 kWh . kg)

- Chaleur spécifique (Cp) : 1 calorie / g, à 15°C et à la pression atmosphèrique constante de 1013,25 mb (définition de la calorie en unités thermiques) ou 1 kcal/kg/°C ou K, ou 4185,5 Joules/kg/°C ou K (4,1855 kJ . kg . °C ou K).
Elle varie en fonction de la température (courbes de variation à la pression atmosphérique normale) :
------------

Nota : pour la glace d'eau, voir également ces pages spéciales.

Notes de rappel ( échanges thermiques < lien interne )

- Enthalpie de solidification : 330 kJ.kg^-1.K^-1 aux conditions TPN (T=273,15 K, P=101 325 Pa),

- Chaleur latente de vaporisation : variable en fonction de la température, soit 40,7 kJ/mol à 100°C

- Tension de vapeur (*) - variable en fonction de la température : 17,5 mm de Hg à 20° C
(sous pression atmosphérique normale (101 325 Pa ou 760 mm de Hg ou 1013,25 millibar)).

---

* On appelle tension de vapeur d'un liquide pur, la pression sous laquelle ce liquide est en équilibre avec sa vapeur saturante. La tension de vapeur n'est fonction que de la température et de la nature du corps, c'est-à-dire que, pour un liquide pur déterminé, elle ne dépend que de la température. À une température donnée correspond pour le liquide considéré une tension de vapeur fixe.

A noter que la salinité diminue la tension de vapeur d'eau (voir eau de mer).

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- Viscosité dynamique (ou absolue) : 1,002.10^-3 Poiseuille (Pl) ou 1,002 cPo (centipoise) à 20°C et sous 1 atm (anomalie par rapport aux autres liquides > variabilité en fonction de la température et de la pression) :

 
A pression atmosphérique - Handbook of Chemistry and Physics - 65th (1985)

Nota : viscosité cinématique = viscosité dynamique / masse volumique (MV), unité SI : m²/s, ou en ex unités CGS : Stoke (St), 10^-4 m²/s, ou centistoke (cSt, 10^-6 m²/s).
> voir éventuellement, les pages spéciales : viscosité dynamique & viscosité cinématique.

NB : l'inverse de la viscosité dynamique est la fluidité (ou viscosité réciproque), qui est la capacité d'un fluide à s'écouler sans résistance.
Dans le système CGS, la fluidité s'exprime en rhé.

La superfluidité (> page interne) est un état de la matière dans lequel celle-ci se comporte comme un fluide dépourvu de toute viscosité.

- Point triple : 273,160 K (0,01°C) et 612 Pa (0,000612 MPa).
Ce point correspond aux conditions ou les trois états (solide, liquide et gazeux) peuvent cohabiter.
Expérimentalement, le point triple n'apparaît donc que si la pression est de 612 Pa (0,00612 atm), très basse par rapport à la pression atmosphérique "normale" (1 atm ou 101325 Pa), soit environ 165 fois moins.

Notes : la température en degré Kelvin du point triple de l’eau dépend des abondances relatives des isotopes de l’hydrogène et de l’oxygène présents dans l’échantillon d’eau utilisé, La définition du kelvin se réfère donc à une eau de composition isotopique spécifiée :

• à la condition que la composition isotopique de l’eau soit la suivante :

• 0,000 155 76 mole de ²H par mole de ¹H
• 0,000 379 9 mole de ¹⁷O par mole de ¹⁶O
• 0,002 005 2 mole de ¹⁸O par mole de ¹⁶O

cette composition étant celle du matériau de référence de l’Agence internationale de l’énergie atomique « Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) », recommandée par l’Union internationale de chimie pure et appliquée dans « Atomic Weights of the Elements: Review 2000 ».
Source > RECOMMANDATION 2 (CI-2005), Clarification de la définition du kelvin, unité de température thermodynamique. Le Comité international des poids et mesures (CIPM, 94e cession).

Nota : l’hélium est le seul corps connu ne possédant pas de point triple. Le soufre présente deux variétés cristallines, donc il possède 3 points triples.

- Points critiques :

• Température critique [T_c] = 373,946 °C (647,096 ± 0,01 K)
• Pression critique [p_c] = 2,212.10⁷ Pa ou 22,064 ± 0,005 MPa (221,2 bars ou 218,3 atmosphères)
  • Masse volumique critique [ r_c ] = 322 ± 3 kg . m^–3
  .

Nota : la température minimum à laquelle l'eau liquide peut exister est -21,985°C (251,15 K) à une pression de 209,9 MPa (2,099.10⁸ Pa ou 2099 bars).

 

Propriétés électriques & optiques de l'

Les constituants de l'eau ( H

- Résistivité électrique :
(rappel : résistivité (ohms.cm^-1) = 1 000 000 / conductivité [en µS.cm^-1] )

Très élevée > l'eau pure a une résistivité de l'ordre de 25 méga-Ohm par cm (MW.cm^-1) à 20°C (conductivité : 0,04 micro-siemens par centimètre ou mS.cm^-1).
L'eau obtenue par déminéralisation a couramment une résistivité de 18 MW.cm^-1 (0,0555 m S.cm^-1), eau destinée la fabrication de circuits intégrés par exemple.
L'eau potable du réseau de distribution possède une résistivité variable de l'ordre de 0.02 à 0.001 MW.cm^-1 (50 à 1000 mS.cm^-1).
NB : la conductivité est l'inverse de la résistivité.

Niveau guide de la conductivité à 20°C d’une eau destinée à la consommation humaine : 400 m S.cm^-1 (0.0025 MW.cm^-1 ou 2500 W.cm^-1).
Ceci provient d'une très faible ionisation, c'est à dire de la dissociation en ions H+ et OH- (voir les propriétés chimiques).

Notes sur la supraconductivité > page interne.

- Constante diélectrique (Permittivité e , relative à celle du vide, e₀ = 8.854.10^-12 A². s⁴. kg^-1. m^-3 ou 8.854 picoFarad par m [pF m^-1]) : une des plus élevée > 80 F m^-1 à 20°C (dans un champ électrique appliqué - statique - de fréquence 35 kohms). Notes sur le Farad > lien interne.
(constante diélectrique de l'eau en fonction de la température)

Au niveau microscopique, la permittivité d'un matériau est liée à la polarisabilité électrique des molécules ou atomes constituant le matériau. Pour l'air e = 1 A². s⁴. kg^-1. m^-3 ou 1 F m^-1
Ceci explique le fort pouvoir ionisant de l'eau sur les autres substances (dissolution).


Propriétés optiques.
- Vitesse de la lumière dans l'eau (pure à 25°C) : 224 984,9 km/s (sous P =1 atm), soit environ 24,9 % moins rapide que dans l'air et dans le vide ( air : 299 704,6 km/s, vide : 299 792, 458 km/s).

Nota : dans l'eau de mer de salinité 35 g/L (et à 25°C) : environ 223 860,6 km/s, soit 0.5% moins rapide que dans l'eau pure.
A noter qu'il est possible qu'une particule donnée voyage plus vite que la lumière dans un milieu donnée, c'est à dire plus rapidement que la vitesse de la lumière dans ce même milieu : c'est l'effet Cerenkov.
C'est un rayonnement de couleur bleu que l'on l'observe en particulier dans les centrales nucléaires (où il est responsable de la couleur bleue des piscines) :

Cet effet est utilisé dans les détecteurs en physique des particules en accélérateurs, ou dans des détecteurs pour les astroparticules comme H.E.S.S et AUGER.
Mais, la vitesse de la lumière dans le vide reste toujours supérieure à celle du rayonnement Cerenkov ! (soit, 299 792 458 ou 2,9 10⁸ m/s).
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Nota > science facile : mesurer (approximativement) la vitesse de la lumière dans l'air avec des objets du quotidien, tels qu'une tablette de chocolat et un four à micro-ondes ?
Voici la marche à suivre :
1 - En premier, il faut surélever le plateau tournant du four à micro-ondes au-dessus du mécanisme, par exemple à l'aide de petits pots en verre.
Puis posez-y une tablette de chocolat. Faites chauffer suffisamment pour que le chocolat commence à fondre mais pas trop pour éviter que la tablette ne fonde entièrement.
2 - En sortant la tablette de chocolat du four à micro-ondes, vous verrez apparaître des zones fondues et d'autres encore dures.
D'un four à l'autre, les mesures peuvent être légèrement différentes mais, en moyenne, les zones fondues sont espacées de quelque 6,5 centimètres (0,065 m).
3- Or, ce qui permet de chauffer les aliments à l'intérieur d'un four à micro-ondes, c'est l'énergie transportée par les ondes électromagnétiques qui circulent dans la cavité du four.

La répartition de cette énergie selon une certaine direction présente une période égale à une demi-longueur d'onde. Selon la théorie donc, la distance entre deux régions fondues de la tablette de chocolat est égale à la longueur de l'onde électromagnétique divisée par deux.

La vitesse de la lumière - qui est aussi la vitesse à laquelle se propagent les ondes électromagnétiques - est donnée par la relation suivante :
c = g x f , avec,

• c, la vitesse de la lumière (m/s)
• g, la longueur d’onde (m)
• f, la fréquence (Hz)

La fréquence est donnée sur l'étiquette collée à l'arrière du four à micro-ondes, et la longueur d'onde a été mesurée plus haut comme deux fois la distance entre deux portions fondues.
4 - Avec par exemple, f = 2,45.10⁹ Hz, et g = [2 x 0,065] m, on obtient pour la vitesse de la lumière dans l'air : c_air = 318 500 000 ou 3,185.10⁸ m/s .
(NB : c_air réel = 299 704,6 km/s ou 299 704 600 m/s, ou environ 2,99.10⁸ m/s)
La valeur ainsi déterminée est donc assez proche de la réalité.
(soit, une différence de 6% en plus environ)



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Absorption de la lumière : l'eau absorbe préférentiellement le rouge, ce qui explique que cette couleur disparaisse progressivement de la lumière ambiante au fur et à mesure que la profondeur augmente.

> Indice de réfraction : l'indice de réfraction moyen de l'eau est d'environ 4/3,soit, et il varie notamment en fonction de la température et de la pression,
soit pour l'eau pure : 1.3339 à 0°C, 1,3337 à 10°C, 1,3330 à 20°C, 1,3325 à 25°C (avec raie D du sodium de longueur d'onde g =589,29 nm , sous P= 1013,25 hPa).
> vapeur d'eau > 1.00026
> l'air (atmosphère terrestre dans les conditions normales de température et de pression [CNTP] à 0 °C et 1 atm) = 1,000293.

NB : en toute rigueur, cet indice dépend de la couleur. L'eau est un milieu dispersif comme les autres et c'est précisément cette dépendance qui est à l'origine du phénomène connu sous le nom d'arc en ciel.

Nota >>> voir ou revoir éventuellement, les pages sur l'optique aquatique.

En fait, l'eau n'est jamais pure, et il faut aussi tenir compte de la diffusion et de la direction de propagation (biréfringence).

 

Propriétés chimiques de l'

L'eau est une substance très stable qui peut être formée par une réaction exothermique (dégagement de chaleur),
soit :

La réversibilité de cette réaction n'est possible qu'à haute température (entre 2000 et 3000 K), ou par des réactions secondaires d'électrolyse d'acides ou de bases, et également par certaines radiations.

L'oxygène de l'eau peut être déplacé par les éléments électronégatifs (fluor) ou électropositif, l'hydrogène est déplacé par les métaux (Fer vers 800°C) ou sur du carbone incandescent, mais également à froid avec les métaux alcalins (sodium, potassium)
La molécule H₂O peut aussi se détruire par le phénomène d 'hydrolyse : décomposition chimique d'un corps par action de l'eau.
Exemples :
- le chlorure de fer FeCl₃ régit avec l'eau pour former de l'oxyde ferrique Fe(OH)₃et de l'acide chlorhydrique
- l'urée CO(NH2)2, composé organique, se transforme en carbonate d'ammonium (NH₄)₂CO₃
- les carbures métalliques donnent avec l'eau des hydrocarbures.

 

 

A noter également,

Les réactions d 'hydratation : fixation de la molécule d'eau sur un corps, avec formation d'une nouvelle combinaison. De nombreux sels cristallisés possèdent ainsi de l'eau, sous forme H₂O lié :
MgSO4, 7H2O - Al2(SO4)3, 18H2O - CuSO4, 5H2O... etc....

L'eau combinée, par exemples dans les substances hydroxydes tels que la chaux
Ca(OH)₂ ou la soude NaOH.
L'eau entraîné mécaniquement dans un cristal (humidité) : sous cette forme elle est facilement enlevée par dessiccation.

L'action catalytique de l'eau : de nombreuses réactions chimiques nécessitent la présence de H2O, par exemple l'ammoniac NH3 et l'acide chlorhydrique HCl ne donnent pas de chlorure d'ammonium (fumées blanches) si l'air est très sec.
De même le fer ne "rouille" pas si l'air ne contient pas un peu d'humidité...

Cas particulier - hydratation de l'oxygène : on obtient de l'eau oxygénée [ H₂O₂ ]
> voir éventuellement les pages internes sur H₂O₂.

NOTA > Canulars chimiques classiques rencontrés :

• OH₂ est un oxyde, le monoxyde de dihydrogène...
• l'eau est un hydroxyde du type H-OH, donc on peut dire l'hydroxyde d’hydrogène...
• un acide HO-H : l’acide oxhydrique (ou hydroxyque)...

   

  
  

Ionisation
L'eau pure est peu conductrice du courant - voir résistivité électrique - elle est légèrement dissociée par la réaction d'équilibre exothermique suivante (cette dissociation électrolytique est fonction de la température) :

Les double flèches indique que la réaction s’effectue dans les deux sens. Dans l’eau, il y aura toujours à la fois des molécules non-dissociées H₂O et des ions H⁺ et OH^-
Il y a donc à la fois dissociation et recomposition, ceci conduit à un équilibre appelé équilibre de dissociation de l’eau (ou de protolyse de l'eau) .

Egalement, l'eau se comporte soit comme un acide puisqu'il est susceptible de libérer H⁺ (ci-dessus), soit comme une base car peut accepter H⁺ :

c'est donc un ampholyte (ou amphotère > substance ayant des fonctions acide ET basique).

En fait, il y a autoprotolyse de l’eau (une autoprotolyse est une réaction de transfert de proton entre deux molécules identiques, l'une jouant le rôle d'acide -au sens de Bronsted- et l'autre celui de base) : dans toute solution et même dans l’eau pure, des molécules d’eau (H₂O)₂ liées via une liaison hydrogène, réagissent en permanence pour donner naissance à des ions H₃O⁺ et OH^- :

Inversement, dans toute solution et même dans l’eau pure, des ions H₃O⁺ et OH^- réagissent en permanence pour donner naissance à des molécules H₂O :

Globalement, il existe dans toute solution aqueuse (y compris l’eau pure) un équilibre entre ces trois sortes d’espèces.

Nota : Les ions H₃O⁺ et OH^- ainsi formés sont immédiatement solvatés (hydratés).

à 24°C (sous la pression atmosphérique "normale" de 1 013,25 hPa), et donc C_H = C_OH = 10^-7 moles/l , ou C_H3O+ = C_OH = 10^-7.

Nota :
1 > cette constante K_e de l'eau pure dépend donc de la température T en °C :

T°C >	0	10	20	24	30	40	50	60
Ke	1,1481-15 ou 10-14,94	2,9512-15 ou 10-14,53	6,7608-15 ou 10-14,17	10-14	1,4791-14 ou 10-13,83	3,4673-14 ou 10-13,46	5,4954-14 ou 10-13,26	9,5499-14 ou 10-13,02
-log Ke	14,94	14,53	14,17	14,00	13,83	13,46	13,26	13,02
[H3O+] ou [OH-]	10-7,47	10-7,265	10-7,085	10-7	10-6,915	10-6,73	10-6,63	10-6,51
-log [H3O+]	7,47	7,26	7,08	7	6,91	6,73	6,63	6,51

(Larson & Buswell) - ( [H₃O⁺] et [OH^-] en mole/L )
Rappel : pH = -log [H₃O⁺] et pOH = -log[OH^-]

2 > mais également de la pression (rappel 1 atm = 1013,25 hPa = 0,10133 MPa) :

(Basé sur les données de "Release on the Ionization Constant of H2O". International Association for Properties of Water and Steam. August 2007. Image author: Stan J.).

3 > pour l'eau non pure pKe dépend de l'activité dûe à la force ionique, elle-même fonction de la minéralisation (sels dissous), d'ou pK'e
>>> ci-joint un graphique montrant la variation du pK'e enfonction de la température et du RS (Résidu Sec, 180°C) :

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Comme un litre d'eau pure (non dissociée, à 24°C) contient [H₂O] = 1000/18,0153 = 55,509 moles, il n'existe donc à peu près qu'une molécule dissociée sur 555 000 000 (à 24°C), et environ 1 sur 236 800 000 à 50°C !

NOTES : la radiolyse de l'eau (par un flux de rayonnement hu) peut induire un exédent d'énergie des molécules d'eau et conduire à une ionisation de ces molécules :

on obtient l'ion radical H₂O.⁺ (le point en bas symbolise l'électron non aparié, célibataire) et un électron e^-, d'énergie cinétique E_c.
Nota : la molécule peut se retrouver dans un état éxcité, sans être ionisée : hu + H₂O >>> H₂O*
(le * symbolise l'état d'éxcitation d'un atome ou d'une molécule).

Les molécules ainsi ionisées ou excitées sont instables (10^-12 s de durée de vie) et se dissocient elle-même en d'autres radicaux :

Ces nouveaux radicaux libres HO. et H. sont de grande réactivité chimique, mais également de durée de vie très brèves (10^-9s) et ils ne pourront migrer que sur de courtes distances (env. 25 nm).
Il vont s'annihiler ou former de nouvelles molécules :

HO. + H. >>> H₂O (effet nul...)
H. + H. >>> H₂ (hydrogène moléculaire)
HO. + HO. >>> H₂O₂ (eau oxygénée)

Par ailleurs, l'électron e^- se stabilise pour donner un électron thermique e^-th, lequel s'entoure d'une cage de de molécule d'eau pour former un électron hydraté appelé électron aqueux e^-aq :

Nota : les molécules entourant l'électron aqueux peuvent également se dissocier en radicaux H. et HO.
Toutes ces étapes se produisent en moins de 10^-6s, et finalement les produits résultants présent dans l'eau sont H₂O₂, H. , HO. et e^-aq. A noter que ces produits sont toxiques à cause de leurs réactivité, mais aussi pour certains tels que H₂O₂ et HO. pour leur pouvoir oxydant.
En présence dans l'eau d'oxygène moléculaire O₂, on peut observer la formation de radicaux qui amène une augmentation de l'effet oxydant :

O₂ + H. >>> HO₂. (relativement stable)
et,

HO₂. + HO₂. >>> H₂O₂ + O₂
ou,
HO₂. + H. >>> H₂O₂

Diagramme eau-sel
(sous 1 atmosphère)

Rappel : un eutectique est un mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante, contrairement aux mélanges habituels. Il se comporte en fait comme un corps pur du point de vue de la fusion.