L'eau liquide dans tous ses états

L'eau est parfaite dans tous ses états

Toutes les formes de vie reposent sur ce seul élément, que se partagent tous les êtres vivants. L'eau est parfaite, elle permet de dissoudre les matériaux et les produits chimiques. L'eau héberge des éléments qui vont servir de catalyseurs pour la production de substances chimiques nécessaires à la vie. C'est à l'eau que nous devons cette fantastique et merveilleuse diversité de la vie terrestre. Les organismes vivants sont une construction ordonnée de molécules complexes qui réagissent chimiquement ensemble. L'eau liquide est parfaite pour déclencher des réactions chimiques. Dans un liquide, les atomes peuvent se déplacer facilement, alors que dans un solide, les structures sont figées et les molécules ne peuvent pas réagir chimiquement. Dans un gaz, c'est l'inverse, les molécules sont trop éloignées les unes des autres, et les réactions chimiques sont plus rares. C'est donc dans l'eau liquide, que la vie a choisi d'évoluer, en élaborant des molécules de plus en plus complexes.

La molécule d'eau est composée d'un atome d'oxygène et de 2 atomes d'hydrogène, les charges électriques des atomes d'hydrogène maintiennent les liaisons des molécules entre elles. Cette fragile liaison fait de l'eau un dipôle électrique permanent tout à fait particulier. L'hydrogène est produit très tôt dans l'histoire de l'Univers, c'est le premier atome à se constituer, l'oxygène est un élément qui apparait plus tardivement, lors de réactions de fusion thermonucléaire, au sein des étoiles.

Image : Si notre planète n'avait pas de relief, l’eau liquide recouvrirait toute sa surface, sur une épaisseur de 3 km. Apparemment, cela fait beaucoup d'eau, mais la couche de 3 km ne représente que 0,023 % du rayon de la Terre.
Cela équivaut à l'épaisseur de la peau d'une pomme par rapport à la pomme. image : NASA

La molécule d'eau

Tous les atomes sont formés d’un noyau (protons et neutrons), porteur d’une charge électrique positive, autour duquel gravitent des électrons, porteurs d’une charge électrique négative. Mais un atome est globalement neutre. C'est grâce aux électrons que les atomes vont se « coller » entre eux.
Le plus petit de tous les atomes, est l'atome d'hydrogène, il ne possède qu'un seul électron. Dans la molécule d’eau, l’atome d'oxygène capte plus fortement les électrons que l'atome d'hydrogène.
L’atome d’oxygène se trouve donc chargé négativement et l’atome d’hydrogène positivement (voir image ci-contre). C'est ce qui explique que la molécule d’eau est une molécule « polaire ». Cette polarité fait que les molécules d’eau se collent entre elles, le côté positif de l’une attirant le côté négatif d’une autre. Un tel lien électromagnétique entre deux molécules s’appelle une liaison hydrogène. Cette polarisation permet aussi à la molécule d’eau de se coller à beaucoup d’autres molécules. Grâce à sa polarité, l’eau permet à des molécules de se rencontrer au sein du liquide, et de réagir chimiquement, d'où l’importance de l’eau liquide, dans le développement de la vie. L'eau est un formidable accélérateur de réactions chimiques. L'eau est le solvant universel le plus courant car il permet de dissoudre un grand nombre de composés chimiques.

L'univers matériel est constitué de 74% d'hydrogène, de 24% d'hélium, de 1% d'oxygène et tous les autres éléments réunis ne représentent que 1% de la matière. L'hélium est pratiquement inerte chimiquement, il est monoatomique en toute circonstance, c'est l'élément le moins réactif et il ne forme généralement pas de composés chimiques. On comprend alors, pourquoi la molécule d'eau (H²O), est abondante dans l'univers.
Les atomes d’hydrogène ont le choix de se lier ensemble (H²), ou bien de se lier aux atomes d'oxygène (H²O). C'est pour cela que, à part la molécule de dihydrogène, la molécule d’eau est la plus répandue dans l'espace.

Image : La molécule d'eau (H²O) est faite de deux atomes d'hydrogène (numéro atomique = 1), reliés à un atome d'oxygène (numéro atomique = 8), qui ont mis leurs électrons en commun. La molécule d’eau possède au total, dix électrons dont huit ont été apportés par l’atome d’oxygène, et deux par les atomes d’hydrogène. L'eau est un dipôle électrique permanent. L'électron n'est pas représenté ici, il n'a pas de localisation précise dans l'atome, comme une vague intemporelle, l'électron est à la fois partout et nulle part, un peu ici et un peu là.

Les états de l'eau ou transitions de phase

Une eau pure existe sous une seule phase, solide, liquide ou gazeuse, pour une pression et une température données. L'exception est le point triple (voir schéma ci-contre), où les 3 phases coexistent à une température et une pression données.
Un couple pression, température, correspondant à une transition de phase, c'est-à-dire à un changement d'état, entre une phase solide et une phase liquide (fusion), entre une phase liquide et une phase solide (solidification), entre une phase solide et une phase gazeuse (sublimation), entre une phase gazeuse et une phase solide (condensation), entre une phase liquide et une phase gazeuse (vaporisation), entre une phase gazeuse et une phase liquide (liquéfaction). Au delà du point critique entre la transition liquide et gaz, l'eau atteint la phase de fluide, à la fois gazeuse et liquide à une pression de 218 atmosphères et à une température de 374° Celsius.

Image : Diagramme de changement d'état ou transition de phase de l'eau pure.
Au point triple, les 3 phases coexistent à une température et une pression données.
Au point critique (218 atm, 314°C), l'eau atteint la phase supercritique entre liquide et gaz.