Hydraulique Humaine

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proprits physico-chimique de l'eauparFlorence TrouilletDernire modification31/10/2010 11:34Quelques proprits physico-chimiques de la molcule d'eau.

Structure et proprits L'atome d'oxygne possde 6 lectrons priphriques. Sa valence (nb. de liaisons) est gale 2. L'hydrogne possde un lectron priphrique et tablit une liaison de covalence. Voici la structure de la molcule d'eau.

Du fait de la prsence de deux doublets non liants sur l'atome d'oxygne, l'eau a une structure ttradrique (type AX2E2en mthode VSEPR). La gomtrie de la molcule d'eau est donc coude. Les tudes spectroscopiques montrent que l'angle H--H est de 104,5 et que la distance interatomique dO-H= 95,7 pm (picomtre) soit 9,57.10-11m.Ces considrations gomtriques expliquent en partie la polarit de la molcule d'eau et ses proprits de solvant.Loxygne tant beaucoup plus lectrongatif que lhydrogne, le doublet d'lectrons de chaque liaison O-H se dplace donc vers l'atome d'oxygne. Cela se traduit par un excdent de charges ngatives sur latome d'oxygne (do lapparition de 2 charges ngatives partielles notesd-) et un dficit sur latome dhydrogne (do lapparition de 2 charges positives partielle notesd+, la molcule tant lectriquement neutre). On dit que les deux liaisons O-H sontpolarises. Du fait de sa gomtrie coude,le barycentre des charges partielles positives ne concide pas avec celui des charges partielles ngatives(en vert sur le schma).

La molcule d'eau est donc polaire(on dit aussi dipolaire).Elle constitue un diple lectrique permanent (un diple lectrique tant lensemble de deux charges gales et de signes contraires une distance fixe lune de lautre). Cela explique qu'elle soit un bon solvant pour les lectrolytes solides, liquides ou gazeux (ex : pour les molcules polaires comme HCl ou pour les solides ioniques cristallins comme le sel). En effet, l'eau peut dissoudre tous les solides ioniques cristallins, conduisant des solutions comportant des ions solvats. C'est pourquoi l'eau intervient dans de nombreux phnomnes gologiques (voir ici). L'eau est un compos thermiquement stable.A partir de 3000C, elle peut se dissocier selon l'quation : H2O(g)-> H2(g)+ 1/2 O2(g). C'est une transformation endothermique.Cette dissociation peut galement se produire sous l'effet d'un rayonnement lectromagntique. Pour qu'une liaison O-H soit rompue, il faut fournir une nergie au moins gale l'nergie de liaison DO-Hsoit 461,6 kJ.mol-1. Calculons l'nergie ncessaire un photon pour casser la liaison O-H :

On peut maintenant en dduire la longueur d'onde de ce photon en appliquant la relation de Planck :

Cela correspond un rayonnement de longueur d'onde infrieur 259 nm (rayonnement U.V).La vapeur d'eau peut donc tre dissocie par le rayonnement U.Vsolaire dans les couches suprieures de l'atmosphre terrestre. On verra que cette proprit peut expliquer l'absence d'eau sur certaine palntes du systme solaire. Sur Terre, la dure de vie de la molcule deau est de 36 heures (cette dure de vie tant dfinie comme le temps ncessaire pour que le nombre de molcules soit diminu dun facteur 2 par photodissociation due au rayonnement UV solaire). La transformation inverse correspond la synthse de l'eau : H2(g)+ 1/2 O2(g)-> H2O(g). Il s'agit d'un mcanisme complexe qui se droule en plusieurs phases, (initiation, propagation et rupture) avec formation de radicaux. Cet ensemble de ractions chimiques conduisant la molcule deau partir des atomes O et H est trs exothermique.C'est ce qui rend possible la formation de l'eau dans le milieu interstellaire, basse temprature, sans ncessiter la prsence dune source dnergie externe. Les tempratures de changement d'tat de l'eau sont leves. A la pression atmosphrique : Tfusion= 0C et Teb= 100C.Cela tmoigne d'un milieu o les molcules sont trs associes. En effet,il existe dans l'eau liquide et dans la glace des liaisons intermolculaires de type lectrostatique : les liaisons hydrogne(liaison H). Il s'agit de liaisons impliquant l'atome d'hydrogne d'une molcule et le doublet non liant de l'atome d'oxygne d'une autre molcule. Ces liaisons sont assez difficiles briser. Elles confrent donc une grande stabilit physique ces deux phases de l'eau.A quantits de matire gales, la glace occupe un plus grand volume que l'eau liquide. Cela est d aux liaisons H. En tablissant ses liaisons, les molcules d'eau adoptent une disposition spatiale qui conduit une structure peu compacte pour la glace et a un comportement trs particulier : la glace tant moins dense que l'eau liquide,la glace flotte sur l'eau. Peu de substances possde cette caractristique : l'eau, le bismuth et l'antimoine.

Le diagramme de phase de l'eau P = f(T)Il illustre les domaines de temprature et de pression o l'eau se trouve l'tat gazeux, liquide et solide. Le diagramme des phases de l'eau montre que le point triple correspond une temprature de 0,01C et une pression de 6,15 hectopascals soit 6,15.10-3bar (1 bar = 105pascals).En dessous du point triple, l'eau ne peut pas exister sous forme liquide.La courbe de changement de phase liquide-vapeur (appele courbe de vaporisation) est limite suprieurement en un point appel point critique. Au del de ce point, l'eau devient un fluide supercritique qui possde la proprit de dissoudre des substances insolubles dans l'eau en dessous du point critique.La pente de la courbe de fusion (changement de phase liquide-solide) est ngative dans un large domaine de pression pour une temprature proche de celle du point triple. Cela explique qu'une augmentation de la pression favorise la fusion de la glace.La lecture de ce diagramme permet de comprendre les raisons pour lesquelles on retrouve essentiellement de l'eau sous forme de glace et de vapeur dans le cosmos. A basse pression, et basse temprature, leau interstellaire est prsente sous forme de vapeur ou de glace amorphe. En effet, selon la temprature et la pression, la glace deau peut prsenter diffrents types de structure cristalline. Sur Terre, elle se prsente sous la forme d'un rseau hexagonal. Entre -70 C et et -140 C, elle est sous forme de rseau cubique. Aux tempratures infrieures -140 C , elle est amorphe (forme la plus rpandue dans le milieu interstellaire).A la lecture du diagramme, on peut esprer trouver de l'eau liquide si les conditions suivantes sont runies :- temprature comprise entre 0 et 130 C pour des pressions comprises entre 6,15.10-3et 2 bars : cest le domaine des plantes telluriques et des ventuelles exoterres.- haute temprature et haute pression : cest le domaine de l'intrieur des satellites des plantes gantes.Les tat ortho et para de l'eau (source : Thrze Encrenaz"A la recherche de l'eau dans l'Univers", Belin suo 2004Ces termes font rfrence deux tats particulier du dihydrogne H2. Ces tats sont dfinis par la valeur du spin +1/2 ou-1/2 des protons des atomes d'hydrogne de cette molcule, le spin dterminant le "sens de rotation" du proton sur lui mme. Si les deux spins nuclaires sont opposs, la molcules H2est ditepara; si non, elle est diteortho. Ces dfinitions s'appliquent galement la molcule d'eau.Cette distinction prsente un grand intrt. En effet, on peut montrer quil y a trois fois plus de manire de parvenir un tatorthoqu' un tatpara. Cela implique que les intensits des raies spectrales qui correspondent aux transitions de rotation et de vibration-rotation des deux varits d'H2O (voir ici), intervenant des longueurs d'onde lgrement diffrentes, sont dans des proportions de 3 pour 1.D'o a possibilit de mesurer par spectroscopie le rapport des quantits des deux varits d'H2O. Or ce rapport d'abondance dpend de la temprature laquelle la molcule d'eau s'est forme (ce rapport ne pouvant tre modifi par la suite). La mesure du rapport ortho/par de l'eau donne donc une indication directe sur la temprature de formation de la molcule.L'eau lourdeLe noyau d'un atome est constitu de nuclons (les protons chargs positivement et les neutrons qui sont lectriquement neutres). Sa reprsentation symbolique esto :Zest le nombre de charges ou numro atomique. C'est le nombre de protons prsents dans le noyau.Aest le nombre de nuclons appel aussi nombre de masse.N = A - Zest donc le nombre de neutrons du noyau.Unlment chimiqueest l'ensemble des entits (atomes ou ions) ayant le mme nombre de charge Z.Alors qu'il n'y a qu'une centaine d'lments chimiques, il y a plus de 1 500 noyaux rpertoris dont 325 naturels. En effet, pour un Z donn, il existe plusieurs noyaux qui diffrent par leur nombre de neutrons. Ces noyaux sont appelsisotopes.L'hydrogne possde des isotopes stables :1H (99,985 %) et2H appeldeutrieumD(0,015 %). L'oxygne possde des isotopes stables :16O (99,762 %),17O (0,038) et18O (0,2 %). La combinaison de ces isotopes permet d'obtenir cinq isotopes principaux pour la molcules d'eau : H216O (le plus abondant), H217O, H218O,HDO(appele "eau semi lourde") etD2O(appel "eau lourde"). L'eau semi-lourde est naturellement plus abondante que l'eau lourde.HDO et D2O ont des densits plus leves que l'eau H216O, d'o leurs noms. Leau lourde est utilise dans les racteurs nuclaires comme modrateur de neutrons ; les neutrons ralentis ont alors une probabilit plus leve d'aller provoquer de nouvelles fissions de noyaux d'uranium, permettant ainsi la raction en chane. L'eau lourde est galement utilise comme dtecteur de neutrinos (effet Tcherenkov).

Table des matires Gnralits Causes et degrs de la duret Rpercussions sur la sant Autres considrations Conclusion Recommandation Rfrences bibliographiquesBien que la duret puisse avoir sur l'eau des effets d'ordre esthtique ou organoleptique, on n'a pas fix de concentration maximale acceptable car la tolrance du public l'gard de la duret peut varier considrable-ment selon les conditions locales. Une eau dont la duret est suprieure 200mg/L est considre comme mdiocre, mais elle est tolre par les consommateurs; les eaux dont la duret est suprieure 500mg/L sont inacceptables pour la plupart des usages domestiques. tant donn que l'adoucissem