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 l'univers :


(source Science & Avenir)
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NOTA : à voir également à propos de la Classification Périodique des Eléments :
Tableau Périodique des Eléments (
TPE )
lien Lenntench
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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.

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Par ailleurs, l'eau contient en fait de très faibles quantités d'eau lourde de formule D2O,

[voir les pages internes sur les eaux lourdes et superlourdes], T [Tritium, masse atomique de 3,0160492], radioactif, qui se désintègre en 12 ans et 4 mois.

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

Molécules
H2O (O=16)
H2O (O=18)
H2O (O=17)
HDO (O=16)
D2O (O=16)
Quantité relative
99,727 %
0,204 %
0,037 %
0,016 %
2,43 10-6 %
Nota : au nombre de neuf au total, tous les isotopes de l’eau existent à l’état naturel.

Il faut noter que l'hydrogène (lien interne sur le gaz H2) est l'élément le plus abondant de l'univers connu (le 10ème 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.
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".
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).

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Suite >>> voir Propriétés phyiques








Propriétés physiques de l'

L'eau pure est un liquide inodore et sans goût.
Elle a une teinte
bleuâtre, qui peut être perçue uniquement lorsqu'elle forme une couche épaisse.
>Elle absorbe peu les radiations électromagnétiques (domaine visible), et sous une grande épaisseur elle paraît donc bleue, due à une absorption un peu plus élevée des ondes orangées et rouges du spectre solaire.

Sous une pression atmosphérique dite "normale" (760 mm Hg (760 torr), ou 101 325 Pa (Pascal)),
le point de congélation de l'eau est de 0°C et son point d'ébullition est de 100°C
> (voir éventuellement les pages sur la
glace ou la neige),
> (voir éventuellement les pages sur la
vapeur d'eau).
(pour le retour ici, veuillez utiliser celui de votre navigateur : [par exemple])

L'eau atteint sa densité maximale à une température de 4°C et se dilate en se congelant. Comme la plupart des autres liquides, l'eau peut se trouver dans un état surfondu, c'est-à-dire qu'elle peut rester à l'état liquide à une température inférieure à son point de congélation : elle peut facilement être refroidie à -25°C sans se congeler. L'eau surfondue se congèle lorsque sa température est abaissée ou lorsqu'un cristal de glace ou une autre particule lui est ajouté.
NB :
site (remarquable) sur les unités de mesure.




Propriétés "mécaniques" .
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.

- Masse volumique [MV] 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).

< Calcul MV= f[T] >>> dans page interne >


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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, il en est autrement que pour l'eau pure, voir éventuellement, les pages sur l'
eau de mer.

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 (DHf (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) :

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



< Calcul Cp= f[T] >>> dans page interne >

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

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).


-
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.

< Calcul de la viscosité dynamique & cinématique = f[T] > page interne >

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A noter que, à Tet P constantes, la viscosité dynamique augmente avec la salinité
(voir eau de mer)

- 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 :

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 :

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
+ et O- ) présentent une grande dissymétrie électrique, c'est donc un liquide diamagnétique (polaire).

- 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 M
W.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).


- 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 ( air : 299 704,6 km/s et 299 792 458 m/s dans le vide).
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.

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 formée par une réaction exothermique (dégagement de chaleur),
soit :

H2 + ½ O2 »»» H2O + 242,67 kilojoules (58 kcal)

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, également 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(NH
2)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 NH
3 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 :

 

  
  

 




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) :

H2O <<< >>> H+ + OH- (base conjugué)

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+ :

H2O + H+ >>> H3O+ (acide conjugué)

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- :

(H2O)2 >>> H3O+ + 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 :

H3O+ + OH- >>> H2O + H2O
(réaction acido-basique)

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

2 H2O <<< >>> H3O+ + OH-

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



Le coéfficient d'ionisation étant très faible, on peut considérer que [H2O] est constante et égale à 55,509, et rappelons que la constante Kc définissant le produit ionique de l'eau
(équation de la loi d'action de masse) est Kc= [H3O+] [OH-] / [H2O]

et, [H3O+] [OH-] = 55,509 Kc

donc la constante de dissociation de l'eau Ke qui caractérise l'état d'équilibre de la réaction,
Ke = 55,509 Kc
et Ke = [H3O+] [OH-] = 10
-14moles/l

à 24°C (sous la pression atmosphérique "normale" de 1 013,25 hPa), et donc CH = COH = 10-7 moles/l , ou CH3O+ = COH = 10-7.

Nota :
1 > cette constante Ke 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] = 1000/18,015 = 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.

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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 :

hu + H2O >>> H2O.+ + e-

on obtient l'ion radical H2O.+ (le point en bas symbolise l'électron non aparié, célibataire) et un électron e-, d'énergie cinétique Ec.
Nota : la molécule peut se retrouver dans un état éxcité, sans être ionisée : h
u + 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 :

H2O.+ + H2O >>> H3O+ + HO.
et
H2O* >>> H. + HO.

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 :

e- >>> e-th >>> 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



L'eau est elle-même l'un des agents ionisants les plus importants. Comme la plupart des substances sont solubles dans l'eau, on l'appelle fréquemment "le solvant universel". L'eau s'allie avec certains sels pour former des hydrates et réagit avec des oxydes de métaux pour former des acides. Elle est utilisée comme catalyseur dans de nombreuses réactions chimiques importantes.
Exemple :

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.


Fin du chapitre Composition et structure

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