L’eau, c’est quoi ? Les propriétés d’une molécule singulière

Introduction

L’eau est si courante sur Terre qu’on oublie à quel point elle est singulière. Elle recouvre environ 71 % de la surface de la planète, alors que l’eau liquide en surface n’a été observée sur aucune autre planète connue.

Si l’on extrapole à partir de molécules voisines comme le sulfure d’hydrogène (H₂S), l’eau devrait bouillir vers −80 °C et être un gaz à température ambiante. Elle se dilate en gelant, ce que font très peu de substances. Elle dissout un très grand nombre de composés.

Cet article présente les propriétés de la molécule H₂O et ce qu’elles expliquent.

1. La molécule H₂O

Une molécule d’eau est formée d’un atome d’oxygène (O) lié à deux atomes d’hydrogène (H).

La polarité

La molécule n’est pas linéaire : elle est coudée, avec un angle d’environ 104,5° entre les deux liaisons.

• L’oxygène est très électronégatif : il attire vers lui les électrons partagés et porte une charge partielle négative.
• Les hydrogènes, appauvris en électrons, portent une charge partielle positive.

La molécule forme ainsi un dipôle, avec un pôle positif et un pôle négatif. Cette polarité explique que l’eau adhère à de nombreuses surfaces et dissolve les sels.

La liaison hydrogène

Les molécules d’eau s’attirent : l’hydrogène d’une molécule est attiré par l’oxygène d’une voisine. C’est la liaison hydrogène.

Chaque liaison est faible et se fait et se défait en quelques picosecondes, mais leur grand nombre maintient les molécules assez proches pour que l’eau reste liquide à température ambiante. C’est ce qui explique ses températures de fusion et d’ébullition inhabituellement élevées.

2. Les trois états de l’eau

L’eau est la seule substance courante présente naturellement sur Terre à l’état solide, liquide et gazeux.

Solide : la glace

Pour la plupart des substances, le solide est plus dense que le liquide. Pour l’eau, c’est l’inverse : en gelant, les molécules s’organisent en un réseau cristallin hexagonal plus ouvert, et le volume augmente d’environ 9 %.

• Conséquence : la glace flotte.
• Pour la vie aquatique : la glace forme en surface une couche isolante. Sous elle, l’eau des lacs reste liquide, autour de 4 °C au fond, température à laquelle l’eau douce est la plus dense.

Liquide

À pression atmosphérique, l’eau est liquide de 0 à 100 °C, une plage large qui correspond aux températures de la surface terrestre.

Gazeux : la vapeur

La vapeur d’eau est invisible : le « nuage » qui s’échappe d’une casserole est fait de fines gouttelettes déjà recondensées. La vapeur d’eau est le principal contributeur à l’effet de serre naturel. Sa concentration dépend toutefois de la température : elle amplifie le réchauffement causé par le CO₂ plutôt qu’elle ne le déclenche.

3. Un solvant très polyvalent

Grâce à sa polarité, l’eau dissout un grand nombre de substances :

• les sels : le chlorure de sodium se dissocie en ions Na⁺ et Cl⁻, entourés de molécules d’eau ;
• les molécules polaires comme les sucres, qui se dissolvent sans se décomposer ;
• des gaz comme l’oxygène et le dioxyde de carbone.

Dans les organismes, elle transporte les nutriments (sang, sève) et évacue les déchets.

C’est parce qu’elle dissout si bien que l’eau pure n’existe pas dans la nature. Au contact des sols et des roches, elle se charge en minéraux (voir l’article sur la minéralisation) et, le cas échéant, en polluants.

4. Le cycle de l’eau

La quantité d’eau sur Terre est à peu près constante : elle change d’état et de réservoir.

1. Évaporation : chauffée par le soleil, l’eau des océans s’évapore en laissant les sels derrière elle.
2. Évapotranspiration : les plantes rejettent de la vapeur d’eau par leurs feuilles.
3. Condensation : en s’élevant, l’air se refroidit et la vapeur forme des nuages.
4. Précipitations : pluie, neige, grêle.
5. Ruissellement et infiltration : l’eau rejoint les rivières ou s’infiltre dans les nappes souterraines.
6. Retour à l’océan.

L’évaporation sépare l’eau des sels, mais la pluie se charge ensuite de ce qu’elle rencontre dans l’air et les sols. Les activités humaines (prélèvements, imperméabilisation des sols, pollution, changement climatique) modifient ce cycle.

5. L’eau et le vivant

Aucun organisme connu ne peut vivre sans eau liquide. C’est pourquoi sa recherche guide l’exploration de Mars ou des lunes de Jupiter et de Saturne.

• Structure : le corps humain adulte contient environ 60 % d’eau (voir l’article sur l’eau dans le corps), une méduse plus de 90 %.
• Réactions chimiques : la plupart des réactions biochimiques ont lieu en milieu aqueux.
• Régulation thermique : l’eau a une capacité thermique élevée. Elle absorbe beaucoup de chaleur en se réchauffant peu, ce qui stabilise la température des organismes et des océans. La transpiration refroidit le corps par évaporation.

6. La « mémoire de l’eau » : que dit la science ?

L’idée a été popularisée par Jacques Benveniste en 1988, puis reprise par Luc Montagnier : l’eau garderait une « empreinte » des molécules qu’elle a contenues, même après des dilutions où il ne reste plus aucune molécule d’origine (principe revendiqué par l’homéopathie).

• Consensus scientifique : non démontré. Les résultats n’ont pas pu être reproduits dans des conditions contrôlées. Les liaisons hydrogène se réorganisent en quelques picosecondes, ce qui rend improbable la conservation d’une structure stable.

7. Questions fréquentes

L’eau pure conduit-elle l’électricité ?

Très mal. L’eau parfaitement pure est un mauvais conducteur. Ce sont les ions dissous (minéraux, sels) qui conduisent le courant. L’eau du robinet ou d’un bain en contient assez pour être dangereuse au contact d’un appareil électrique.

L’eau chaude gèle-t-elle plus vite que l’eau froide ?

Ce n’est pas établi. Cet « effet Mpemba » a été rapporté dans certaines conditions, mais les expériences contrôlées donnent des résultats contradictoires et son existence reste discutée.

L’eau mouille-t-elle toujours ?

Non. Sur une surface hydrophobe (feuille de lotus, plume de canard, revêtement antiadhésif), l’eau forme des gouttes et ne s’étale pas. Tout dépend des interactions entre l’eau et la surface.

De quelle couleur est l’eau ?

Légèrement bleue. L’eau absorbe un peu la lumière rouge. L’effet n’est visible que sur une grande épaisseur (lac, glacier, piscine profonde) ; dans un verre, elle paraît incolore.

8. Glossaire

• Polaire : se dit d’une molécule qui présente un pôle positif et un pôle négatif.
• Liaison hydrogène : attraction entre l’hydrogène d’une molécule et un atome électronégatif (comme l’oxygène) d’une molécule voisine.
• Sublimation : passage direct de l’état solide à l’état gazeux (neige qui disparaît sans fondre par temps sec et froid).
• Capacité thermique : énergie nécessaire pour élever la température d’une quantité de matière. Celle de l’eau est élevée.
• Hydrophile / hydrophobe : qui a de l’affinité pour l’eau / qui la repousse.

Conclusion

Les propriétés de l’eau découlent de la forme de sa molécule et des liaisons hydrogène : liquide à température ambiante, glace qui flotte, grande capacité thermique, pouvoir solvant. Elles expliquent le rôle de l’eau dans le climat et dans le vivant. Elles expliquent aussi pourquoi l’eau que nous buvons n’est jamais « pure » : elle transporte ce qu’elle a dissous en chemin.