La molécule d'eau

Comment savoir si un aliment contient de l'eau ?
La molécule d'eau est l'une des premières molécules que l'on apprend à représenter en cours de physique chimie car celle-ci possède une structure assez simple.

Supposons qu'on puisse diviser par 1 000 le volume d'une goutte d'eau de 30 mm³, puis répéter à nouveau cette division. Au bout de la 7ème division par 1 000, on trouvera le plus petit grain de matière qui puisse exister : la molécule d'eau.

Dans cette goutte, il y a mille milliards de milliards de molécules d'eau. Toutes les molécules d'eau sont identiques. Il est impossible de couper une molécule, de modifier sa forme, ses dimensions ou sa masse.

A retenir : L'eau est formée de molécules toutes identiques : c'est un corps pur

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C'est parti

La molécule dans les trois états de l'eau

Comme tous les solides, la glace est incompressible est possède une forme propre, car les molécules sont très rapprochées et fortement liées entre elles.

Comme tous les liquides, l'eau liquide est incompressible, n'a pas de forme propre et peut couler, car les molécules sont aussi très rapprochées mais peu liées entre elles.

Comme tous les gaz, la vapeur d'eau n'a pas de volume propre, elle occupe tout l'espace qui lui est offert, car les molécules sont séparées par des espaces vides et animées de mouvements désordonnés.

A retenir : Les propriétés des trois états de l'eau s'expliquent par les comportements des molécules.

Pourquoi l'eau entre en ébullition à une température différente de 100°C en altitude ?
Attention à ne pas vous brûler avec la vapeur d'eau qui sort de votre théière !

Le changement d'état : une transformation physique du corps pur

On appelle transformation physique tout passage d'un ou de plusieurs corps d'une forme à l'autre et ce sans qu'il n'y ait de modification de la structure moléculaire voire nucléaire des constituants des corps qui subissent la transformation.

Ainsi, une transformation physique peut être représenté par un changement d'état de la matière, les déformations ou encore des ruptures suite à l'action de la température ou de la pression.

Il existe en tout 6 changements d'états possibles pour l'eau. Ce sont les six transformations fondamentales qui interviennent en chimie.

La fusion

La fusion intervient lorsque de la glace fond. Par exemple, un glaçon dans un verre d'eau. Il s'agit donc du passage de l'état solide à l'état liquide.

La vaporisation

La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux. Même si le nom est proche, cela n'a aucun rapport avec le fait de projeter de l'eau avec un vaporisateur.
La vaporisation a lieu lorsqu'on laisse évaporer de l'eau au soleil ou quand on la porte à ébullition.

La liquéfaction

Il s'agit de la transformation inverse de la vaporisation. Elle intervient quand de la vapeur d'eau se transforme en eau liquide.
La liquéfaction a lieu soit par compression : la pression qui augmente rends l'eau gazeuse liquide ou par refroidissement et dans ce cas le gaz refroidit pour devenir liquide, c'est la condensation.

La solidification

La solidification est le phénomène durant lequel l'eau liquide devient solide. Cela se produit quand elle gèle, on parle alors de congélation. L'eau se met à se solidifier une fois qu'elle descend en dessous de 0° C.
L'eau peut aussi se solidifier en cas de cristallisation ou d'augmentation de la pression.

Pourquoi les glaçon sont transparents quand on utilise de l'eau bouillie ?
Ce changement d'état est très connu puisqu'on le provoque afin de rafraîchir une boisson en plein été.

La sublimation

La sublimation intervient quand l'eau passe directement de l'état solide à l'état gazeux. Cela fait que la glace devient vapeur sans même passer par les étapes habituelles de fusion et de vaporisation.

Cela peut arriver lorsque de l'eau très chaude entre en contact avec de l'air très froid. Elle part alors en fumée blanche (de la vapeur d'eau).

La condensation solide

La condensation solide est le phénomène qui se produit lorsque de l'eau sous forme de vapeur vient toucher une surface très froide. Par exemple, si l'on souffle sur une vitre gelée, la vapeur d'eau contenue dans notre respiration gèlera instantanément en se transformant en eau solide.

Les différents états existant de l'eau

L'eau peut se trouver sous ses 3 états à la surface de la Terre. En effet, elle est liquide dans nos rivières et lorsqu'on la boit, gazeuse dans l'air que nous respirons et dans la vapeur d'eau et pour finir solide sur les glaciers ou dans les glaçons.

Les précipitations et leurs états

Toutes les précipitations que nous subissons à la surface de la Terre ne présentent pas d'états identiques. En effet, dans certains cas il s'agit de précipitations solides et dans d'autres il s'agit de précipitations liquides.

La pluie

C'est un phénomène qui se forme à partir des gouttelettes contenues dans les nuages ou des cristaux de glaces qui ne sont pas assez froids pour rester congelés lors de leur chute.
Il existe plusieurs formes de pluies : la bruine qui est caractérisée quand les gouttes d'eau mesurent moins de 1,5 mm ; la pluie verglaçante qui se forme quand les conditions de pression et température du sol sont inférieures au point de congélation alors que ce n'était pas le cas dans l'atmosphère.

La grêle

Elle est représentée par des billes de glace mesurant de 5 à 50 mm même si parfois ces billes, appelées grêlons, peuvent atteindre la taille d'une balle de tennis. Leur vitesse de chute monte jusqu'à 160 km/h, ce qui cause de nombreux dégâts.

La neige

Les conditions pour l’apparition de neige sont très particulières. De la vapeur se transforme en cristaux de glace et ces derniers doivent s'assembler rapidement pour former des flocons. Ce procédé à lieu à des températures qui permettent d'éviter la fonte du flocon durant sa chute. En moyenne, il neige entre -3°C et 3°C.

Le grésil

Il est composé de grêlons qui sont devenus liquides durant leur chute mais se remettent à geler une fois entrés dans la masse d'air froide inférieure à 0°C. Son cœur reste donc liquide et son enveloppe solide.

L'eau solide

L'eau atteint son état solide lorsque la température atteint ou descend les 0° C. Les molécules adoptent donc une structure cristalline.

L'eau liquide

On peut trouver de l'eau liquide dans les conditions climatiques habituelles de nos environnements de vie. En effet, sous pression atmosphérique normale de 1 bar et entre 0° C et 100° C, l'eau prend sa forme liquide. Elle adopte alors une structure plus désordonnée et prends moins de place. C'est pourquoi l'eau gelée occupe plus de place que l'eau liquide.

L'eau gazeuse

La majorité de l'eau gazeuse est celle que nous respirons dans l'air. A pression normale de 1 bar et une fois passé la barre des 100° C, l'eau devient gazeuse et l'on parle alors de vapeur d'eau. C'est aussi l'état de l'eau qui s'évapore (au-dessus des lacs, rivières ou océans). Les molécules d'eau sont dans leur état le plus agité lorsqu'elles sont gazeuses. L'attraction terrestre s'exerce alors moins dessus et permet au gaz de expanser.

Masse et changements d'états

Laissé à température ambiante, un glaçon fond.

Ce qui change

Lorsque la glace fond, l'eau passe de l'état solide à l'état liquide : les liens entre les molécule sont brisés. Les molécules peuvent glisser les unes sous les autres ; leur répartition devient désordonnée.

Ce qui ne change pas

La masse ne varie pas au cours de la fusion, car le nombre de molécules d'eau est inchangé.

A retenir : Au cours d'un changement d'état, le nombre de molécules de varie pas : la masse se conserve

Masse, dissolution et mélange

Lors de la dissolution d'un soluté (le sucre) dans un solvant (l'eau), les molécules de soluté se dispersent parmi celles du solvant. Leur nombre total ne change pas. La masse de l'ensemble se conserve

La solution obtenue est un mélange homogène de molécules du soluté et de molécules du solvant.

Cette observation est aussi vérifiée dans le cas du mélange de deux liquides miscibles.

A retenir : Au cours d'une dissolution (ou d'un mélange de deux liquides miscibles), la masse de l'ensemble est conservée car le nombre total de molécules ne varie pas.

L'eau sur la Terre

Pourquoi surnomme-t-on la Terre la planète bleue ?
L'eau est l'un des éléments qui a permis l'apparition de la vie sur Terre.

Son cycle

Le cycle de l'eau correspond à un processus selon lequel l'eau se déplace entre différents endroits, tout en changeant de forme et d'état.

On parle de cycle puisque, en effet, il n'y a aucune perte car la quantité d'eau qui entre dans ce processus reste toujours la même, elle subit juste des modifications d'états.

C'est un cycle biogéochimique et cela signifie que, comme tous les cycles biogéochimiques, celui-ci concerne le cycle des éléments chimiques nécessaires à la manifestation et au déploiement de la vie. Dans le cas du cycle de l'eau, les éléments chimiques sont stockés dans des réservoirs qui sont :

  • L’atmosphère ;
  • L'hydrosphère et les éléments qui s'y forment ;
  • Les sols et les roches de la lithosphère ;
  • La biosphère.

Le cycle de l'eau se distingue néanmoins des autres cycles biogéochimiques par deux caractéristiques puisque la molécule d'eau ne subit aucune transformation au cours de son cycle et les êtres-vivants y interviennent très peu.

Sa répartition

L’eau est l’élément le plus répandu sur la planète mais aussi le constituant le plus important des êtres-vivants.
L'Homme est en effet lui-même constitué de 70% d'eau).

97,5% de l'eau présente sur Terre est salée. Elle constitue donc les océans et les mers de notre planète. Au niveau des hémisphères, celui du nord comporte moins d'eau que celui du sud et toutes les étendues salées de ces deux hémisphères représentent 1350 millions de km3. Ils recouvrent donc les deux tiers de la planète.

Le reste de l'eau disponible sur Terre est de l'eau douce. Parmi ces dernières, 2,59% sont immobilisées par les eaux souterraines ou sous forme de glace (eau non directement disponible pour les êtres-vivants). Les 0,1% restants représentent l'eau de surface et l'eau d'humidité du sol, ces dernières étant accessible des êtres-vivants.

Le plus grand réservoir d'eau douce au monde est le lac Baïkal. Il se situe en Sibérie et représente 1/5 du réservoir mondial avec une profondeur plus de 1600 mètres !

Cependant, seuls 0,007% de l'eau hydrosphérique sont utilisables par l'Homme et sont constitués de ces réservoirs :

  • Cours d'eau ;
  • Lacs ;
  • Nappes de sub-surface.

Le reste n'est pas facilement exploitable ou alors demanderait des coûts de forage trop élevés.

Son stockage naturel

On peut considérer qu’en fonction des caractéristiques et de la nature des roches, on peut trouver 3 grands types de réservoir :

  • Réservoir poreux : composé de roches sédimentaires poreuses comme, par exemple, le calcaire ou le grès.

Dans ces pores, l’eau des précipitations efficaces est stockée et accumulée.

Ce milieu poreux peut être considéré comme hétérogène à grand échelle (microscope ou loupe binoculaire) mais considéré comme homogène à petite échelle (échelle du terrain). Le géologue va donc observer des données de terrain (via sondage, forage, etc.).

  • Réservoir fissuré : composé de roches non poreuses (pas de stockage d’eau dans les pores) mais roches fracturées et fissurées où l’eau peut se stocker (exple : granite, basalte, roches magmatiques en général, calcaire micritique)

Pour qu’il y ait stockage, il faut qu’il y ait suffisamment de fissures et que les fissures soient interconnectées pour que l’eau puisse circuler et s’accumuler. Plus on va en profondeur, moins il y a de fissure. La roche ne sera réservoir que sur la zone superficielle (10 m de réservoir sur 50 m de granite). Le milieu est hétérogène à grande échelle et homogène à petite échelle.

  • Réservoir karstique : milieu carbonaté, calcaire qui subit de la dissolution. Il est d’abord fissuré puis formé de conduits et de grottes. Le milieu est hétérogène quel que soit l’échelle.

En hydrogéologie, on dissocie les méthodes d’approche pour les milieux fissurés et poreux pour les milieux karstiques (on fait des traçages pour suivre les conduits).

Il est important de retenir que selon le type de réservoir, les vitesses de transfert d’eau et des polluants seront différents :

  • Milieu poreux : une gouttelette d’eau met 1 an pour parcourir, en horizontal, 1 km.

L’eau de pluie efficace va s’infiltrer, traverser le sable jusqu’à une couche imperméable et être retenue et stockée dans les pores du sable. Lorsque tous les pores sont remplis d’eau, on parle de zone saturée

  • Milieu saturé : une gouttelette d’eau met 3 à 6 mois pour parcourir, en horizontal, 1 km.

L’eau de pluie efficace va s’infiltrer tant que les fissures sont suffisamment interconnectées.

  • Milieu karstique : une gouttelette d’eau met 1 à 30 heures pour parcourir, en horizontal, 1 km.

On en déduit ainsi la notion de vulnérabilité du milieu : comment le milieu va réagir face à une pollution de surface.

Dans un milieu karstique, le risque est plus élevé car l’eau circule très rapidement, il est plus vulnérable que le milieu poreux. Le milieu poreux est le milieu le moins vulnérable car sa vitesse de transfert est plus faible.

On observe la notion de vulnérabilité pour protéger les milieux.

L’eau n’est pas filtrée dans un milieu karstique, il y a beaucoup de dissolution et donc d’éléments en suspension. La qualité de l’eau évolue en fonction des précipitations.

L'Homme a besoin de l'eau

L'eau correspond au constituant le plus important du corps humain. En effet, dans l'organisme d'un adulte, l'eau correspond à 65% de celui-ci soit 45 litres d'eau pour une personne pesant 70 kilogrammes. Notons que ce pourcentage varie sensiblement selon la corpulence de la personne mais également de l'âge : plus une personne vieillit, moins son organisme est riche en eau car, les tissus vieillissants, ils se déshydratent et remplacent l'eau par de la graisse.

Un être humain à besoin d'absorber environ 2,5 litres d'eau par jour dont 1,5 litre sous une forme liquide et 1 litre qui est absorbé via l'alimentation. Mais un corps peut avoir besoin de plus d'eau si la personne pratique une activité physique ou en cas de forte chaleur. Si un corps est privé d'eau, la mort peut survenir entre 2 et 5 jours si le corps reste au repos.

En moyenne, un organisme absorbe quotidiennement :

  • 3 litres pour l'homme ou 2,2 litres pour la femme, d'eau sous forme de boisson ;
  • 0,7 litre pour l'homme ou 0,5 litre pour la femme, d'eau contenue dans les aliments ;
  • 0,25 litre d'eau produite par le métabolisme des nutriments énergétiques.

Tandis que, quotidiennement, l'organisme rejette :

  • 1 à 2 litres par l'urine (avec un minimum de 0,5 litre pour une personne correctement hydratée en conditions normales) ;
  • 0,45 litre par la perspiration et la transpiration (les valeurs peuvent être augmentées avec la chaleur et/ou à l'activité physique) ;
  • 0,3 litre à 0,55 litre dans un contexte d'activité physique, par la respiration ;
  • 0,15 litre par les selles.

On peut donc conclure que l'eau est un besoin vital pour toutes les espèces vivantes connues bien que certains animaux n'apprécient pas un contact direct avec l'eau.

On peut trouver l'eau sous différentes formes :

  • Eau potable ;
  • Eau du robinet ;
  • Eau en bouteille ;
  • Eau de source ;
  • Eau minérale naturelle ;
  • Eau gazeuse ;
  • Eau plate ;
  • Eau purifiée.
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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !