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L'eau
dans tous ses états
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L'océan est une mince
pellicule à la surface de la terre. Il aurait une importance géophysique
secondaire s'il n'était constitué d'eau à l'état
liquide. C'est la grande particularité de notre planète.
Sous ses trois états l'eau libre se répartie de la façon
suivante :
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97%
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dans les océans |
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~3%
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eau terrestre superficielle : cours d'eau, lac,
glacier, islandis |
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0,001%
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vapeur d'eau dans l'atmosphère |
La masse totale est constante. Sont provisoirement fixées, les
molécules qui entre dans la constitution des roches (les roches
renferment en moyenne 1 à 2% d'eau).
L'eau de mer est constituée de 96,5% d'eau pure et 3,5% d'autres
substances comme les sels, les gaz dissous, les substances organiques et
des particules solides. Ses propriétés physiques sont principalement
dues aux 96,5% d'eau pure.
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Structure
de la molécule d'eau
Fig. 3.1 : Molécule d'eau
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L'eau, si on la compare
à d'autres corps de composition analogue, possède des caractéristiques
anormales. Considérons les corps dont les molécules sont
constituées de deux atomes d'hydrogène et d'un élément
du groupe 16 de la table périodique (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.
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Elément
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Symbole
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Masse
atomique
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Molécule
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Point de
fusion °C
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Point
ébullition °C
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Tellure
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Te
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127,60
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H2Te
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-53
|
-5
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Sélénium
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Se
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78,96
|
H2Se
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-65
|
-45
|
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Soufre
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S
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32,066
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H2S
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-83
|
-63
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Oxygène
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O
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15,9994
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H2O
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0
au lieu de -110
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+100
au lieu de -80
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Fig. 3.2 : Liaison hydrogène
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La particularité de l'eau provient de sa structure
moléculaire (figure 3.1). Dans une molécule d'eau, un atome
d'oxygène est lié à deux atomes d'hydrogène
par des liaisons de covalence mettant en jeu un doublet d'électrons.
L'angle O-H-O est voisin de 105°. La molécule est électriquement
neutre mais est polarisée. En effet, la densité d'électrons
est plus grande près du noyau d'oxygène que près des
noyaux d'hydrogène.
Lorsque deux molécules d'eau sont en présence, elles ont
tendance à s'unir par une liaison électrostatique entre un
noyau d'hydrogène chargé positivement et le nuage électronique
entourant le noyau d'oxygène. Cette liaison dite "liaison hydrogène"
a tendance à réaliser l'alignement H-O-H (figure 3.2).
A 20°C les molécules d'eau s'assemblent en moyenne par 6
(figure 3.3). Cet assemblage de molécule justifie le changement
de propriété de l'eau, qui se comporte comme un polymère.
Dans la glace, toutes les molécules d'eau sont liées et
forment une structure tétraédrique assez lâche (figure
3.4). La fusion de la glace entraîne un tassement des molécules.
Les différentes propriétés originales de l'eau
découlent de la polarisation de la molécule d'eau et de l'existence
de la liaison hydrogène.
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Les
principales conséquences de la structure de la molécule d'eau
sont les suivantes:
Fig. 3.5 : structures
de l'eau et de la glace
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L'eau est le seul composé
naturel qui existe sous les 3 états dans les conditions rencontrées
à la surface de la terre. L'état liquide étant le
plus fréquent. Le changement d'état se fait en rompant des
liaisons hydrogène. Pour cela il faut fournir une énergie
importante, ce qui explique les valeurs élevées de chaleurs
latentes de fusion et de vaporisation de l'eau.
L'eau a une constante diélectrique élevée.
L'eau est le milieu naturel où le plus grand nombre de substances
(minérales, organiques, à l'état gazeux, liquides
ou solides) peuvent se dissoudre et entrer en réaction. La conductivité
électrique de l'eau pure est relativement faible, mais celle de
l'eau de mer est à mi-chemin entre celle de l'eau pure et du cuivre.
A 20°C, la résistance de l'eau de mer salée à
3,5% sur une distance de 1,3 km est équivalente à celle d'1
mm d'eau pure.
La congélation de l'eau s'accompagne d'une augmentation
de volume d'environ 10%. Ceci est dû à la structure tétraédrique
de la glace, qui n'est pas le moyen le moins encombrant pour empiler des
molécules (figure 3.5). Les conséquences géophysiques
sont importantes :
-
La glace flotte. C'est important pour la vie dans les lacs. La glace reste
en surface et agit comme un isolant, empêchant l'eau de geler de
la surface jusqu'au fond.
-
La densité de l'eau liquide diminue rapidement lorsqu'on s'approche
du point de congélation. L'augmentation de volume qui en résulte
est la cause de l'éclatement des roches.
-
La température de congélation décroît avec la
pression. En conséquence, la fusion a lieu à la base des
glaciers, ce qui facilite leur déplacement.
-
La liaison hydrogène disparaît lorsque la pression augmente,
la glace devient alors plastique. C'est pourquoi les glaces de l'Antarctique
et de l'Arctique s'écoulent vers la mer, créant des icebergs
à leurs extrémités. Sans ce mécanisme, toute
l'eau du globe finirait dans les régions polaires.
L'eau est peu compressible (comme tous les liquides). Mais si l'eau
était rigoureusement incompressible, le niveau de la surface des
océans serait plus élevé de 30 m. De plus le coefficient
de compressibilité présente une anomalie, il diminue quand
la température s'élève et passe par un minimum aux
environ de 50°C.
La tension superficielle est la plus élevée de
tous les liquides. C'est important pour la formation des gouttes d'eau
et des vaguelettes.
Pour finir on peut noter que les propriétés physiques
de la plupart des liquides varient uniformément avec la température.
A l'opposée la plupart des propriétés de l'eau de
mer présentent un minimum à une température donnée
(sauf la célérité du son qui passe par un maximum
à 74°C). Quelques exemples pour lesquels on donne la température
correspondant au minimum :
-
solubilité de l'oxygène : 80°C
-
volume spécifique : 4°C
-
chaleur spécifique : 34°C
-
solubilité de l'hydrogène : 37°C
-
compressibilité : 44°C
-
vitesse de la lumière : -1°C
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Vitesse du son : maxi à 74°C
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