Cependant, c'est aussi une molécule inhabituelle. Malgré sa petite taille, elle a des points de fusion et d'ébullition étrangement élevés et forme des liaisons fortes avec de nombreuses autres molécules, y compris avec elle-même. Dans cet article, nous allons voir pourquoi il en est ainsi, ainsi que d'autres propriétés de l'eau.
- Cet article présente les propriétés de l'eau sous l'angle de la chimie.
- Nous commencerons par examiner la structure de l'eau.
- Nous verrons ensuite comment celle-ci est liée à ses propriétés physiques, notamment la cohésion, l'adhésion et la tension superficielle.
- Nous étudierons également la capacité thermique spécifique élevée de l'eau ainsi que ses points de fusion et d'ébullition.
- Nous verrons ensuite pourquoi la glace est moins dense que l' eau et pourquoi l'eau est souvent appelée le solvant universel.
- Enfin, nous explorerons certaines des propriétés chimiques de l'eau : la façon dont elle s'auto-ionise et sa nature amphotère.
Structure de l'eau
Le nom officiel de l'eau est monoxyde de dihydrogène. En regardant de plus près ce nom, on peut se faire une idée de sa structure. -hydrogène nous indique qu'elle contient des atomes d'hydrogène, et di- qu'elle en a deux. Le -oxyde fait référence aux atomes d'oxygène et le mono- indique qu'il n'en a qu'un. Si tu rassembles tous ces éléments, tu obtiens de l'eau :H2O. La voici, représentée ci-dessous :
Fig. 1 - Une molécule d'eau
L'eau est constituée de deux atomes d'hydrogène reliés à un atome d'oxygène central par des liaisons covalentes simples. L'atome d'oxygène possède deux paires d'électrons solitaires. Celles-ci serrent les deux liaisons covalentes l'une contre l'autre, réduisant l'angle de liaison à 104,5° et faisant de l'eau une molécule en forme de V.
Fig. 2 - L'angle de liaison dans l'eau
Pour en savoir plus sur les différentes formes de molécules et sur l'effet des paires d'électrons solitaires sur les angles de liaison, consulte la rubrique Formes de molécules.
La liaison dans l'eau
Voyons maintenant comment la structure de l'eau affecte ses liaisons.
Lesliaisons hydrogène sont un type de force intermoléculaire. Elles se produisent en raison de la différence d'électronégativité entre l'hydrogène et un atome extrêmement électronégatif, tel que l'oxygène.
L'électronégativité est la capacité d'un atome à attirer une paire d'électrons liés. Dans une liaison covalente, les électrons de liaison se trouvent plus près d'un atome que de l'autre.
Si tu ne l'as pas encore fait, nous te recommandons de lire Les forces intermoléculaires. Tu y trouveras des explications beaucoup plus détaillées sur certains des concepts que nous mentionnons ici.
Comme nous le savons, l'eau contient deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène central par des liaisons covalentes. De ce fait, tu trouveras des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau adjacentes.
Dans le cas de l'eau, l'oxygène est beaucoup plus électronégatif que l'hydrogène. Cela signifie que l'oxygène attire vers lui la paire d'électrons liée qui se trouve dans chacune des liaisons oxygène-hydrogène et l'éloigne de l'hydrogène. L'hydrogène devient déficient en électrons et nous disons que, dans l'ensemble, la molécule est polaire.
Comme les électrons ont une charge négative, l'oxygène est maintenant légèrement chargé négativement et l'hydrogène légèrement chargé positivement. Nous représentons ces charges partielles par le symbole delta, δ.
Fig. 3 - La polarité de l'eau
Mais comment cela conduit-il à la formation de liaisons hydrogène ? Eh bien, l'hydrogène est un petit atome. En fait, c'est le plus petit atome de tout le tableau périodique ! Cela signifie que sa charge positive partielle est densément concentrée dans un espace minuscule. On dit qu'il a une densité de charge élevée. En raison de sa charge positive, il est particulièrement attiré par les particules chargées négativement, comme les autres électrons.
Que savons-nous de l'atome d'oxygène de l'eau ? Il contient deux paires d'électrons solitaires ! Cela signifie que les atomes d'hydrogène des molécules d'eau sont attirés par les paires d'électrons solitaires des atomes d'oxygène des autres molécules d'eau.
L'attraction entre l'atome d'hydrogène chargé densément et la paire d'électrons solitaire de l'oxygène est connue sous le nom de liaison hydrogène.
Fig. 4 - Liaison hydrogène entre les molécules d'eau
Pour résumer, nous trouvons une liaison hydrogène lorsqu'un atome d'hydrogène est lié de manière covalente à un atome extrêmement électronégatif doté d'une paire d'électrons solitaire. L'atome d'hydrogène devient déficient en électrons et est attiré par la paire d'électrons solitaires de l'autre atome. Il s'agit d'une liaison hydrogène.
Seuls certains éléments sont suffisamment électronégatifs pour former des liaisons hydrogène. Ces éléments sont l'oxygène, l'azote et le fluor. Le chlore est aussi théoriquement assez électronégatif, mais il ne forme pas de liaisons hydrogène. Cela est dû au fait qu'il s'agit d'un atome plus grand et que la charge négative de ses paires d'électrons solitaires est répartie sur une plus grande surface. La densité de charge n'est pas assez importante pour attirer correctement l'atome d'hydrogène partiellement chargé, et il ne forme donc pas de liaisons hydrogène. Cependant, le chlore subit des forces dipôle-dipôle permanentes.
Encore un rappel - nous couvrons ce sujet plus en détail dans les Forces intermoléculaires.
Propriétés physiques de l'eau
Maintenant que nous avons abordé la structure et les liaisons de l'eau, nous pouvons explorer la façon dont elles affectent ses propriétés physiques. Dans cette prochaine section, nous examinerons les propriétés suivantes :
- Cohésion
- l'adhérence
- Tension superficielle
- Capacité thermique spécifique
- Points de fusion et d'ébullition
- Densité
- Capacité de solvant
Propriétés de cohésion de l'eau
Lacohésion est la capacité des particules d'une substance à se coller les unes aux autres.
Si tu éclabousses une petite quantité d'eau sur une surface, tu remarqueras qu'elle forme des gouttelettes. C'est un exemple de cohésion. Au lieu de s'étaler uniformément, les molécules d'eau se collent les unes aux autres en grappes. Cela est dû à la liaison hydrogène entre les molécules d'eau voisines.
Propriétés adhésives de l'eau
L'adhésion est la capacité des particules d'une substance à se coller à une autre substance.
Lorsque tu verses de l'eau dans un tube à essai, tu remarqueras que l'eau semble grimper sur les bords du récipient. Elle forme ce qu'on appelle un ménisque. Lorsque tu mesures le volume de l'eau, tu dois mesurer à partir du bas du ménisque pour que tes mesures soient tout à fait exactes. Ceci est un exemple d'adhérence. Elle se produit lorsque l'eau forme des liaisons hydrogène avec une autre substance, comme les parois du tube à essai dans ce cas.
Fig. 5 - Un ménisque
Ne confonds pas la cohésion et l'adhésion. La cohésion est la capacité d'une substance à se coller à elle-même, tandis que l'adhésion est la capacité d'une substance à se coller à une autre substance.
Tension superficielle de l'eau
T'es-tu déjà demandé comment les insectes pouvaient marcher à la surface des flaques et des lacs ? C'estgrâce à la tension superficielle.
Latension superficielle décrit la façon dont les molécules à la surface d'un liquide agissent comme une feuille élastique et essaient d'occuper le moins de surface possible.
Les particules à la surface d'un liquide sont fortement attirées par les autres particules du liquide. Ces particules extérieures sont attirées dans la masse du liquide, ce qui fait que le liquide prend la forme ayant la plus petite surface possible. Grâce à cette attraction, la surface du liquide est capable de résister à des forces extérieures, comme le poids d'un insecte. L'eau a une tension superficielle particulièrement élevée en raison de la liaison hydrogène entre ses molécules. C'est un autre exemple de la nature cohésive de l'eau.
Capacité thermique spécifique de l'eau
Lacapacité thermique spécifique est l'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'une substance d'un degré Kelvin ou d'un degré Celsius.
Rappelle-toi qu'un changement d'un degré Kelvin est identique à un changement d'un degré Celsius.
Changer la température d'une substance implique de rompre certaines des liaisons qu'elle contient. Les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau sont très fortes et nécessitent donc beaucoup d'énergie pour être rompues. Cela signifie que l'eau a une capacité thermique spécifique élevée.
La capacité thermique spécifique élevée de l'eau signifie qu'elle offre de nombreux avantages aux organismes vivants, car l'eau résiste aux fluctuations extrêmes de température. Elle les aide à maintenir une température interne constante, optimisant ainsi l'activité des enzymes.
Points de fusion et d'ébullition de l'eau
L'eau a des points de fusion et d'ébullition élevés en raison des fortes liaisons hydrogène entre ses molécules, qui nécessitent beaucoup d'énergie pour être surmontées. Cela devient évident lorsque tu compares l'eau à des molécules de taille similaire qui n'ont pas de liaisons hydrogène. Par exemple, le méthane (CH4) a une masse moléculaire de 16 et un point d'ébullition de -161,5 ℃, alors que l'eau a une masse moléculaire similaire de 18, mais un point d'ébullition beaucoup plus élevé d'exactement 100,0 ℃ !
Densité de l'eau
Tu sais peut-être que la plupart des solides sont plus denses que leurs liquides respectifs. Cependant, l'eau est un peu particulière - c'est l'inverse. La glace solide est beaucoup moins dense que l'eau liquide, c'est pourquoi les icebergs flottent au sommet de la mer au lieu de couler au fond de l'océan. Pour comprendre pourquoi, nous devons examiner de plus près la structure de l'eau dans les deux états.
L'eau liquide
En tant que liquide, les molécules d'eau sont constamment en mouvement. Cela signifie que les liaisons hydrogène entre les molécules sont constamment rompues et reformées. Certaines molécules d'eau sont très proches les unes des autres, tandis que d'autres sont plus éloignées.
La glace solide
En tant que solide, les molécules d'eau sont fixées dans leur position. Chaque molécule d'eau est liée à quatre molécules d'eau adjacentes par des liaisons hydrogène, ce qui lui confère une structure en treillis. Les quatre liaisons hydrogène signifient que les molécules d'eau sont maintenues à une distance fixe les unes des autres. En fait, dans cet état solide, elles sont maintenues plus éloignées les unes des autres que dans leur forme liquide. La glace solide est donc moins dense que l'eau liquide.
Fig. 6 - Un réseau de glace
L'eau comme solvant
La dernière propriété physique que nous allons examiner aujourd'hui est la capacité de l'eau à être un solvant.
Un solvant est une substance qui dissout une deuxième substance, appelée soluté, pour former une solution.
L'eau est souvent appelée le solvant universel. En effet, elle peut dissoudre un grand nombre de substances différentes. En fait, presque toutes les substances polaires se dissolvent dans l'eau. C'est parce que les molécules d'eau sont également polaires. Les substances se dissolvent lorsque l'attraction entre elles et un solvant est plus forte que l'attraction entre la molécule de solvant et la molécule de soluté, et la molécule de soluté et la molécule de soluté.
Dans le cas de l'eau, l'atome d'oxygène négatif est attiré par toutes les molécules de soluté chargées positivement, et les atomes d'hydrogène positifs sont attirés par toutes les molécules de soluté chargées négativement. Cette attraction est plus forte que les forces qui maintiennent le soluté ensemble, de sorte que le soluté se dissout.
Propriétés chimiques de l'eau
Toutes les idées que nous avons explorées ci-dessus sont des exemples de propriétés physiques. Il s'agit de propriétés qui peuvent être observées et mesurées sans changer la composition chimique de la substance. Par exemple, les molécules d'eau de la vapeur ont exactement la même identité chimique que les molécules d'eau de la glace - la seule différence est leur état de matière. Cependant, les propriétés chimiques sont des propriétés que l'on observe lorsqu'une substance subit une réaction chimique. Nous allons nous concentrer sur deux des propriétés chimiques de l'eau en particulier.
- Capacité à s'auto-ioniser
- Nature amphotère
Auto-ionisation de l'eau
En tant que liquide, l'eau existe à l'état d' équilibre. La plupart de ses molécules se trouvent sous la forme de molécules neutresH2O, mais certaines s'ionisent en ions hydronium, H3O+, et en ions hydroxyde, OH-. Les molécules passent constamment de l'un à l'autre de ces deux états, comme le montre l'équation ci-dessous :
2H2O⇋ H3O+ + OH-
C'est ce que l'on appelle l'auto-ionisation. L'eau fait cela toute seule - elle n'a pas besoin d'une autre substance pour réagir.
La nature amphotère de l'eau
Comme l'eau s'auto-ionise, comme nous l'avons vu ci-dessus, elle peut agir de façon amphotère.
Une substance amphotère est une substance qui peut agir à la fois comme un acide et comme une base.
Rappelle-toi qu'un acide est un donneur de protons et qu'une base est un accepteur de protons. Un proton n'est autre qu'un ion hydrogène, H+.
Comment l'eau fait-elle cela ? Eh bien, regarde les ions qu'elle forme lorsqu'elle s'auto-ionise : H3O+ et OH-. L'ion hydronium, H3O+, peut agir comme un acide en perdant un proton pour formerH2Oet H+. L'ion hydroxyde, OH-, peut agir comme une base en acceptant un proton, formant à nouveauH2O.
H3O+ → H2O+ H+
OH- + H+ →H2O
Si l'eau réagit avec d'autres bases, elle agit comme un acide en donnant un proton. Si elle réagit avec d'autres acides, elle agit comme une base en acceptant un proton. On pourrait dire que l'eau n'est pas difficile - elle veut juste réagir avec tout le monde !
Propriétés de l'eau - Points clés
- L'eau, H2O, est constituée d'un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène par des liaisons covalentes.
- L'eau subit des liaisons hydrogène entre les molécules. Cela affecte ses propriétés.
- L'eau est cohésive, adhésive et possède une tension de surface élevée.
- L'eau a une capacité thermique spécifique élevée et des points de fusion et d'ébullition élevés.
- La glace solide est moins dense que l'eau liquide.
- L'eau est souvent appelée le solvant universel.
- L'eau s'auto-ionise en ions hydronium, H3O+, et en ions hydroxyde, OH-.
- L'eau est une substance amphotère.
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