Propriétés

L'eau liquide: un casse-tête au niveau moléculaire





 

 

 

 

 

 

 

 

Si l'eau est une substance très familière, et certainement l'une des plus étudiées et des mieux comprise à notre échelle, c'est certainement l'un des liquides que l'on sait le moins bien décrire à l'échelle moléculaire. Pourtant dans beaucoup de pays, de nombreuses équipes travaillent d'arrache-pied à essayer de le comprendre en s’appuyant sur de nombreuses techniques expérimentales modernes, essentiellement les spectroscopies optique, infrarouge, Raman, résolues dans le temps ou de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), et la diffusion de rayons X ou de neutrons, ou encore en mettant en œuvre des approches théoriques très sophistiquées.

La molécule de base de ce liquide est bien sûr la molécule H2O qui n'est entourée que de molécules semblables. Et c'est là que commencent les problèmes, car ces petites molécules établissent un très grand nombre de liaisons hydrogène entre elles, autant que de liaisons de valence.

Comment se peut-il alors que l'eau soit un liquide très fluide ?
On sait bien décrire un liquide ordinaire : c'est un corps constitué de molécules assez grosses, qui n'interagissent que par des liaisons peu directionnelles et de faible énergie. A température suffisamment basse, cette interaction fige les molécules les unes par rapport aux autres, et on a un solide. Si l'on élève la température, ces molécules vont devenir de plus en plus mobiles les unes par rapport aux autres et vont pouvoir en particulier tourner l'une par rapport à l'autre ce qui affaiblira fortement leur interaction et leur permettra de glisser les unes sur les autres.

Mais rien de tel dans l'eau du fait de la présence des nombreuses liaisons hydrogène. On pourrait penser que certaines de ces liaisons se rompent, donnant ainsi de la mobilité aux molécules. Mais le nombre de liaisons à rompre pour arriver à un tel résultat s'avère beaucoup trop élevé : en effet, du fait de la grande énergie relative des liaisons hydrogène, cela nécessiterait une dépense énergétique bien supérieure à la chaleur qu'il faut effectivement fournir à la glace pour la transformer en eau liquide. La spectroscopie infrarouge montre par ailleurs que le nombre de liaisons hydrogène rompues dans l'eau est très faible, bien insuffisant pour valider un tel mécanisme. L'image la plus plausible actuellement est que les liaisons hydrogène sont tordues. Elle permet d'expliquer d'une manière qualitative les principales propriétés physiques exceptionnelles de l'eau, comment elle se contracte quand on la chauffe ou devient plus fluide quand on la comprime, le tout au voisinage de 0° Celsius. Pour aller plus loin, et avoir une théorie suffisamment précise pour reproduire quantitativement les résultats expérimentaux, il faudrait connaître le mécanisme à la base de cette torsion, ce qui n'est pas encore le cas. On ne dispose donc aujourd’hui d'aucune description quantitative de "la dynamique des molécules H2O", et on ne peut dire comment ces molécules se positionnent entre elles ni comment ces positions relatives évoluent avec le temps. On est incapable d’estimer de combien l'eau se contractera avec la température ou se fluidifiera avec la pression. On ignore par quel mécanisme les molécules peuvent tourner ou se translater les unes par rapport aux autres. On ne sait donc pas ce qui fait de l’eau, à notre échelle, un liquide ordinaire. Le résultat de tout cela est une prolifération dans la littérature scientifique d'innombrables articles, importants mais souvent incompatibles entre eux, qui ont néanmoins le mérite d'initier ceux qui ne le sont pas à la notion de chaos....


Yves Maréchal
Département de recherche fondamentale sur la matière condensée, CEA Grenoble
marechal@drfmc.ceng.cea.fr


 

   
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