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Sans
nous en rendre compte, nous réalisons chaque jour des changements
d'état de l'eau, par exemple en faisant bouillir de l'eau
dans une casserole.
© D. Armand
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Sans y prêter
attention, nous côtoyons quotidiennement chacun des trois
états de l’eau et opérons même souvent
des changements d’état en fabriquant des glaçons,
en faisant bouillir de l’eau, ou encore en faisant se condenser
la vapeur d’eau sur un couvercle au-dessus d’une casserole
d’eau bouillante.
Pourtant, si l’eau se comportait "normalement ",
les scientifiques ont calculé que dans les conditions de
pression
atmosphérique normale, elle devrait bouillir à
–80°Celsius
! Il ne devrait y avoir ni eau liquide, ni glace sur Terre. Comme
pour tous les composés de structure semblable, toute l’eau
de notre planète devrait être sous forme… gazeuse.
Mais si tel avait été le cas, il n’aurait pu
y avoir de vie sur Terre… du moins telle que nous la connaissons
!
Quel est ce mystère
?
Cela est dû à la présence
de ces fameuses
liaisons hydrogène.
En effet, en règle générale, la surface d’un
liquide n’est guère tranquille : elle est le siège
d’un échange réduit mais constant de molécules
qui quittent le liquide pour passer dans l’atmosphère
gazeuse environnante pendant que d’autres y reviennent. Mais
que l’on chauffe ce liquide et l’agitation
thermique des molécules augmentera, favorisant leur
expulsion du liquide. À une certaine température,
dite température
d’ébullition, le liquide se mettra à
bouillir, laissant s’échapper quantité de molécules
dans l’atmosphère.
Mais dans l’eau, ne l’oublions pas, les molécules
sont liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène.
Elles ont donc plus de difficulté à passer dans la
phase gazeuse car il faut auparavant qu’elles aient acquis
suffisamment d’énergie pour rompre ces liaisons. Pour
fondre la glace, il en est de même : il faut d’abord
que l’énergie d’agitation des molécules
soit suffisante pour qu’un grand nombre de liaisons hydrogène
puissent être tordues.
Aussi sur Terre, à la pression atmosphérique normale,
la glace fond-elle à 0°Celsius et l’eau bout-elle
à 100°Celsius pour le plus grand bonheur de l’humanité
!
Si les liaisons
hydrogène peuvent être tordues et même brisées,
c’est qu’elles sont dix fois plus faibles qu’une
liaison
chimique ordinaire. Mais il aurait suffi qu’elles soient
légèrement plus fortes et ne puissent donc se tordre
aussi aisément, pour que l’eau soit encore solide à
100°Celsius !
Comme pour tous
les autres corps, les températures de changement d’état
de l’eau changent avec la pression.
La température d’ébullition de l’eau par
exemple diminue quand la pression diminue : en montagne, où
la pression atmosphérique est plus faible qu’en bord
de mer, l’eau bout donc à une température plus
basse et c’est la raison pour laquelle les aliments y sont
plus longs à cuire. Essayez de cuire un œuf dur dans
un refuge de haute montagne, vous n’y arriverez pas !
En revanche, contrairement à tous les autres corps, la température
de fusion de la glace diminue quand la pression augmente : un autre
comportement tout à fait étonnant. Autrement dit,
essayez de la comprimer : elle fond ! pour la plus grande joie des
patineurs, d’ailleurs. Grâce au film de molécules
d’eau organisées presque comme dans l’eau liquide
qui se forme instantanément sous leurs patins à la
surface de la glace, ceux-ci peuvent en effet glisser librement
sur cette surface. Ce sont encore les liaisons hydrogène
qui sont à l’origine de ce phénomène :
sous l’effet d’une compression, celles-ci, en effet, s'affaiblissent
et se tordent…
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