eau

(latin aqua)

Corps liquide à la température et à la pression ordinaires, incolore, inodore, insipide, dont les molécules sont composées d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène.

CHIMIE

L'eau contient en solution ou en suspension toutes sortes d'autres corps (sels, gaz, micro-organismes, etc.), très répandu à la surface terrestre (eau de pluie, eau de mer, eau du robinet, etc.).

Considérée par les Anciens comme un élément, l'eau est une combinaison d'hydrogène et d'oxygène. Henry Cavendish reconnut en 1781 qu'elle se formait dans la combustion de l'hydrogène. Les travaux d’Antoine Laurent de Lavoisier, de Pierre Simon Laplace et de Jean-Baptiste Marie Meusnier, complétés par ceux d’Anthony Carlisle et de William Nicholson (analyse électrolytique de l'eau, 1800), de Louis Joseph Gay-Lussac et d’Alexander Humboldt (synthèse eudiométrique, 1805), et enfin par ceux de Jean-Baptiste Dumas (synthèse pondérale, 1843), établirent sa composition.

La structure de l’eau

La molécule d'eau

Dans la molécule H₂O, chaque atome d'hydrogène est lié à l'atome d'oxygène par une liaison dite « covalente », c'est-à-dire qu'une paire d'électrons est mise en commun, ce qui confère une très grande stabilité à la molécule. Celle-ci se manifeste dans la valeur élevée de l'enthalpie de la liaison O―H (462,5 kJ. mol⁻¹).

Chaque liaison O―H mesure 0,96 Å (1 Å = 10⁻¹⁰ m) et l'angle HOH est voisin de 105 °.

La polarité de la molécule d'eau

La répartition des charges dans la liaison O–H n'est pas symétrique : les électrons sont plus fortement attirés vers l'atome d'oxygène que vers celui d'hydrogène. Ainsi, la molécule H₂O est polaire : elle se comporte comme un dipôle électrique permanent formé par deux charges électriques égales et de signes opposés séparées l'une de l'autre, la charge positive étant localisée au voisinage des atomes d'hydrogène, la charge négative au voisinage de l'atome d'oxygène. Il en résulte des propriétés électriques particulières.

Cette polarité se mesure expérimentalement par de nombreuses caractéristiques électriques, comme le moment dipolaire (1,85 D) ou la constante diélectrique statique (ε = 78 à 25 °C). Aussi, la molécule d'eau est en interaction électrostatique avec toute particule chargée (ion, molécule polaire), et en particulier avec les autres molécules d'eau à l'état solide ou liquide. Cela explique en partie les propriétés de solvant ionisant de l'eau et sa structure condensée.

Le dipôle eau va donc s'orienter dans un champ électrique. Dans un champ alternatif de fréquence convenable (1 à 100 GHz), les dipôles sont soumis à un mouvement d'oscillation qui produit de la chaleur. Ce phénomène est d'ailleurs à la base de la technique de chauffage par micro-ondes des aliments.

Les liaisons hydrogène dans l'eau en phase condensée

Les molécules d'eau en phase condensée ne sont plus isolées, mais associées pour former de petits amas transitoires (état liquide) ou des structures permanentes et infinies à trois dimensions (état solide ou cristallin). Dans tous ces édifices, deux molécules d'eau voisines sont liées par une liaison particulière dite « liaison hydrogène ».

La liaison hydrogène peut être définie schématiquement comme une attraction électrostatique entre une charge négative localisée sur l'oxygène et une charge positive portée par un atome d'hydrogène d'une molécule d'eau voisine.

Ainsi, dans la glace ordinaire, de type I, cette liaison est linéaire, c'est-à-dire que les groupes ―O et HO― impliqués dans ce type de liaison sont alignés avec une distance entre les atomes d'oxygène de 2,76 Å (au point de fusion, 0 °C). Chaque molécule est ainsi reliée à trois autres dans une géométrie tétraédrique.

Cette liaison, d'une énergie de 19 kJ . mol⁻¹, qui est beaucoup plus facile à rompre que la liaison covalente, a cependant une influence sur les propriétés thermodynamiques anormales de l'eau. En effet, à la pression atmosphérique normale, les températures de changement d'état de l'eau – fusion à 0 °C, vaporisation à 100 °C – sont élevées par rapport à celles d'autres composés chimiques de même poids moléculaire, car la rupture de la liaison hydrogène nécessite une agitation thermique importante.

Les différentes masses moléculaires de l'eau

Eau lourde

En 1931 fut découvert par Harold Urey un premier isotope de l'hydrogène, le deutérium D (ou ² H), deux fois plus lourd que l'hydrogène ordinaire et qui, combiné à l'oxygène dans la même proportion, constitue la molécule D₂O, dite « eau lourde ».

Elle est formée de molécules d'eau dont les atomes d'hydrogène ont été remplacés par un isotope de l'hydrogène qui contient un proton et un neutron et que l'on appelle deutérium, de symbole D. De densité 1,106, l’eau lourde se solidifie à 3,82 °C et bout à 101,42 °C. L'eau naturelle contient 0,15 % d'oxyde de deutérium. L'eau lourde est principalement obtenue :
– par électrolyse, l'hydrogène étant libéré plus vite que le deutérium ;
– par distillation fractionnée de l'eau naturelle ;
– par échange isotopique, en tirant profit des petites différences de réactivité entre l'hydrogène et le deutérium ;
– par distillation fractionnée de l'hydrogène naturel liquide. Cette dernière méthode est la plus efficace et la moins onéreuse.

L'existence d'un second isotope de l'hydrogène, le tritium T (³H), radioactif, et aussi de trois isotopes de l'oxygène (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O) fait que l'eau est constituée de molécules de masses très variées. L'eau lourde a, comme l'eau, la propriété de ralentir les neutrons par collisions élastiques, mais son pouvoir de capture est inférieur ; de ce fait, elle est utilisée comme modérateur dans certains types de réacteurs nucléaires.

Les variations des rapports isotopiques sont de précieux témoins car, l'abondance de l'isotope ¹⁸O diminuant avec le temps, elles fournissent des indications sur l'origine de l'eau et sur son âge.

Eau oxygénée

Découverte en 1818 par Louis Jacques Thenard, l'eau oxygénée est une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène H₂O₂. Pur, ce dernier corps est un liquide sirupeux, incolore, à saveur métallique, de densité 1,46, pouvant se congeler à − 1 °C. Il est soluble dans l'eau en toutes proportions. On trouve dans le commerce l'eau oxygénée à 2 ou 3 % (dite à 10 ou 12 volumes, car elle peut libérer de 10 à 12 fois son propre volume d'oxygène).

Elle est douée de propriétés oxydantes, d'où son emploi comme antiseptique et décolorant. Sa préparation industrielle utilise surtout le procédé à l'anthraquinone.

Propriétés physiques et chimiques de l’eau

Propriétés physiques de l’eau

Généralités

La plus manifeste des propriétés originales de l'eau est celle de ses trois états (gazeux, liquide, solide), de poids spécifiques différents, qui peuvent voisiner : ainsi, sous un ciel chargé de nuages, il n'est pas rare de voir couler un fleuve au milieu d'espaces couverts de neige ou de glace. En outre, et contrairement à beaucoup de substances plus lourdes sous forme solide que sous forme liquide, un bloc de glace est plus léger qu'un égal volume d'eau : 1 l d'eau donne 1,091 l de glace en se solidifiant à 0 °C. Il en résulte que la glace, dont la structure est relativement peu compacte, flotte sur l'eau.

En effet, si l'eau à l'état solide compte près de dix formes cristallines différentes, dans la structure la plus courante, le type I, chaque molécule est liée à ses quatre voisines par des liaisons hydrogène. Cette structure présente des lacunes, ce qui explique sa plus faible masse volumique par rapport à l'eau liquide. Cette propriété explique que la glace ne se forme qu'à la surface des mers et des lacs.

Les propriétés thermiques de l'eau

Une autre originalité de l'eau concerne sa chaleur spécifique. Elle est tellement élevée par rapport à celle des autres corps (18 cal . mol⁻¹ . degré⁻¹) qu'elle a été prise comme référence calorifique : la calorie est la quantité de chaleur nécessaire, à la pression ordinaire, pour porter de 14,5 à 15,5 °C la température de 1 g d'eau.

La chaleur latente de fusion (chaleur nécessaire pour fondre 1 g de glace) est très importante : 83 calories par gramme ; mais la chaleur de vaporisation (chaleur nécessaire pour vaporiser 1 g d'eau) l'est plus encore : 600 calories par gramme.

L'eau possède, en conséquence, une forte inertie thermique et, sous toutes ses formes, sa présence amortit les variations de température (son influence est modératrice sur les climats). Elle est également un excellent agent de transport et de conservation de la chaleur.

Tension superficielle de l'eau

La très forte tension superficielle de l'eau (72 dyn . cm⁻¹) explique ses mouvements de bas en haut, par capillarité, dans le sol et dans les plantes : l'adhérence des molécules d'eau entre elles autorise ce défi aux lois de la pesanteur.

Propriétés chimiques de l’eau

L’eau solvant

L'eau dissout un grand nombre de substances solides, liquides ou gazeuses. C'est un bon solvant des électrolytes et un mauvais solvant des composés non polaires (hydrocarbures). Ainsi, du fait de sa très grande capacité diélectrique, l'eau est, de tous les liquides connus, le plus proche d'un solvant universel et inerte.

Un autre résultat de sa structure, l'effet hydrophobe – c’est-à-dire le rejet, par les molécules d'eau, des groupements hydrocarbonés CH est de grande conséquence sur la structure même des êtres vivants (protéines, ADN, bicouches liquides des membranes cellulaires), qui serait instable en l'absence d'eau.

Une molécule amphotère

Possédant à la fois des propriétés oxydantes et réductrices, la molécule d'eau est une molécule amphotère : c'est l'acide du couple H₂O, OH⁻ et la base du couple H⁺, H₂O ou, mieux, H₃O⁺, H₂O.

Par ailleurs, l'eau donne de nombreux composés d'addition : hydrates ou complexes.

ÉCOLOGIE

État naturel de l'eau

Le cycle de l’eau

Par « cycle de l'eau » on entend l'incessante mobilité des ressources en eau et l'interdépendance des aquifères, dans lesquels l'eau est soumise en permanence à des modifications de sa composition.

Provoquée par le rayonnement solaire, l'évaporation soustrait à tout moment de l'eau liquide aux océans, aux lacs, aux rivières, aux surfaces humides, aux plantes. La vapeur d'eau s'élève et circule, comme un gaz, dans l'atmosphère, où elle se condense au contact d'un air plus froid et donne naissance aux nuages. Dans certaines conditions et par l'effet de la pesanteur, cette eau regagne la surface des continents et des océans sous forme de pluie, de neige, de grêle. Parvenue au sol, elle peut y stagner et s'évaporer, ruisseler, pénétrer et circuler plus ou moins profondément et plus ou moins vite. Ces flux souterrains hydratent les couches superficielles du sol, alimentent et renouvellent les nappes profondes, nourrissent les sources, soutiennent la vie des plantes, par lesquelles une partie de l'eau remonte dans l'atmosphère en changeant à nouveau d'état.

Ainsi, la transpiration du couvert végétal (ou évapotranspiration) vaporise des quantités d'eau considérables : un arbre consomme environ 200 l d'eau par jour et, pour produire 20 t de matière végétale fraîche à l'hectare, la culture nécessite au minimum 2 000 t d'eau.

Drainées par les cours d'eau ou les langues glaciaires aux hautes latitudes, les eaux continentales, après des trajets fort divers, finissent à la mer pour se mêler aux immenses réserves océaniques (→ climatologie).

Le bilan de l’eau

L'estimation des quantités d'eau entraînées dans ce cycle permanent, en une période donnée, constitue le bilan, première tâche que se fixent les hydrologues. Il implique l'évaluation des apports et des restitutions d'eau ainsi que le calcul de la vitesse à laquelle se renouvellent les aquifères, et ce à n'importe quelle échelle d'espace et de temps.

Le bilan peut en effet porter sur le système global de la circulation terrestre ou sur toute autre fraction de l'ensemble, par exemple un continent, une région, un pays, un champ, un bassin-versant de quelques hectares comme celui qui s'étendrait sur des millions de kilomètres carrés… Le bilan peut de même avoir pour cadre temporel l'année, la saison, le mois, quelques jours, quelques heures ou même moins.

À l'échelle mondiale et au cours d'une année, par exemple, le volume estimé de ce cycle équivaut à une lame d'eau de 1 m d'épaisseur qui serait répartie uniformément sur toute la surface terrestre, volume énorme de quelque 500 000 km³, relativement faible pourtant quand il est comparé au stock hydrique total, qui envelopperait la Terre d'une couche d'eau épaisse de 3 km !

La qualité des eaux naturelles

S'il n'y a pas de différence essentielle entre les eaux rencontrées dans la nature – il s'agit toujours de la même substance –, leur qualité est aussi variable que les éléments de l'environnement où elles circulent.

Des eaux très différentes

Elles diffèrent par leur goût, leur odeur, leur couleur, leur température, leur acidité. Même l'eau de pluie contient quelques particules de sels dissous qui ont été transportées par le vent soufflant au-dessus des continents ; elle est aussi quelquefois chargée de poussières et de gaz dissous. Certaines sources sont connues pour leurs propriétés minérales particulières. Des forages proches dans une même nappe fournissent parfois des eaux différentes. L'eau des rivières peut être claire ou turbide. Quant aux eaux superficielles courantes ou stagnantes et aux eaux souterraines, leur qualité varie d'un lieu à l'autre selon la nature du sol et du substratum rocheux, le climat, la saison, l'activité biologique d'organismes vivants qui la peuplent, y vivent, y meurent et s'y décomposent.

Les éléments minéraux, présents à des concentrations plus ou moins élevées, sont les mêmes dans les eaux provenant des aquifères souterrains ou de surface (rivières, lacs, retenues de barrages).

Les eaux souterraines

La filtration au travers de terrains poreux, l'obscurité et la raréfaction de l'oxygène dans les profondeurs du sol, l'atténuation des variations de température confèrent aux eaux souterraines des qualités distinctes de celles des eaux superficielles, qui sont, en général, plus turbides, plus colorées, moins minéralisées, plus riches en matières organiques, plus exposées aussi aux principales pollutions d'origine humaine. Mieux protégées de celles-ci par la purification biologique de l'infiltration, les eaux souterraines n'en sont pas complètement préservées et, si la pollution les gagne, elle est toujours grave, tant à cause de la quantité d'eau contaminée que de la longue durée nécessaire au renouvellement de la réserve.

Par ailleurs, en agissant sur les roches, dont elles dissolvent les éléments solubles, les eaux souterraines se minéralisent. Selon la proportion des sels dissous, ces eaux sont dites douces (moins de 0,6 g de sels par litre) ou dures. On réserve le nom d'eaux minérales à celles qui contiennent une notable proportion de sels utilisables en thérapeutique.

Les paramètres caractéristiques de la qualité de l'eau

Quelques paramètres sont jugés suffisants pour caractériser l'ensemble des altérations physiques et biochimiques : la charge des matières en suspension (MES), en matières oxydables (MO) et en oxygène dissous, la teneur en nitrates, en phosphore et en chlorophylle, l'indice biologique global (IBG).

La charge en matières oxydables est mesurée par les demandes biologiques (DBO 5) et chimiques (DCO) en oxygène. La raréfaction de ce gaz indispensable à l'équilibre biologique des milieux aquatiques, notamment par élévation, naturelle ou non, de la température de l'eau, peut provoquer la mort d'êtres vivants qui l'habitent.

Une forte DBO 5 est l'indice de fertilité du milieu et d'une active biodégradation des matières organiques. Si les bactéries aérobies, réductrices, viennent à manquer d'oxygène, la décomposition anaérobie des matières organiques accumulées provoque le dégagement de gaz et de substances toxiques. L'introduction dans l'eau de nutriants (principalement des nitrates et des phosphates) accélère donc un processus naturel d'eutrophisation, qui est devenu une forme de pollution des plus répandues et des plus tenaces. L'excès de phosphore – substance nécessaire à la vie à doses modérées – est ainsi la cause principale des proliférations d'algues dans les eaux continentales et littorales, et à l'origine indirecte de toxines.

Pour en savoir plus, voir l'article traitement des eaux.

L'eau de mer

On définit la salinité de l'eau de mer par sa teneur en sels dissous, exprimée en ‰, c'est-à-dire en grammes par kilogramme d'eau de mer. Si la salinité des eaux océaniques varie avec les régions, leur composition en revanche reste sensiblement constante, si l'on ne tient pas compte des eaux côtières ; soit, pour 1 kg d'eau de mer à 35 ‰, 27,3 g de chlorure de sodium, 3,4 g de chlorure de magnésium, 2 g de sulfate de magnésium, 1,3 g de chlorure de calcium, 0,6 g de chlorure de potassium, 0,1 g de carbonate de calcium. La majeure partie de ces sels se trouve à l'état ionisé, et l'excès de cations donne à l'eau de mer un caractère alcalin (pH compris entre 7,5 et 8,4) dont les variations, inversement proportionnelles à leur teneur en gaz carbonique, jouent un rôle prépondérant en biologie marine.

La salinité des eaux océaniques superficielles varie avec la latitude en fonction de l'évaporation et des précipitations : 34,5 ‰ dans les régions équatoriales, de 36 à 37 ‰ aux moyennes latitudes, 34 ‰ dans les régions polaires.

L'eau de mer est également définie par sa température, très variable en surface en fonction de l'éclairement solaire et des échanges de chaleur entre l'océan et l'atmosphère : elle varie entre 1,9 °C, dans les régions polaires et + 30 °C environ dans les régions tropicales. En profondeur, en revanche, la température varie très peu (entre 0 °C et 4 °C).

La température et la salinité d'une eau océanique permettent de déterminer sa densité. On définit ainsi des masses d'eau bien particulières dont on peut suivre les mouvements (ce sont les grands mouvements océaniques) grâce à l'étude des courbes de température et de salinité, appelées diagrammes T-S.

Une autre propriété de l'eau de mer est sa couleur. Le bleu est dû à l'absorption plus rapide des radiations rouges que des radiations bleues par l'eau de mer. La couleur verte que l'on observe dans les régions côtières est due à la présence de plancton et de particules minérales provenant de l'érosion littorale. La moitié de la lumière est absorbée à 1 m de profondeur, et plus de 90 % au-delà de 1 m de profondeur.

Les ondes sonores, enfin, se propagent beaucoup plus rapidement dans l'eau que dans l'air et présentent un intérêt considérable pour la navigation maritime et pour l'océanographie.

L'eau et les organismes vivants

L'eau est le milieu de vie de tous les animaux ou plantes aquatiques, c'est-à-dire de la majorité des espèces. Elle constitue l'élément principal de toutes les cellules en état de vie active. Enfin, chez les êtres de grande taille, elle forme l'essentiel du liquide circulant (sève des plantes, sang des animaux).

L'eau en tant que milieu

Les eaux diffèrent par leur température, leur salinité, leur éclairement, leur mouvement, leur teneur en oxygène, etc. Pour chacun de ces facteurs, certaines espèces supportent d'importants écarts (espèces dites eurythermes, euryhalines, etc.) alors que d'autres exigent des conditions constantes (espèces sténothermes, sténohalines, etc.). En outre, tous les intermédiaires existent entre l'être aquatique strict qui meurt rapidement hors de l'eau et l'animal qui ne passe dans l'eau que sa vie larvaire ou l'algue longuement émergée à chaque marée basse.

L'eau en tant que constituant cellulaire

Tant chez les plantes terrestres que dans certaines cellules animales telles que les globules rouges de notre sang, c'est l'eau qui assure la turgescence, c'est-à-dire la pression intérieure qui donne aux cellules leur volume et leur fermeté. La perte d'eau (plasmolyse, fanaison) entraîne la mort. Or, en milieu terrestre, l'air est rarement humide à saturation et l'évaporation risque toujours d'excéder l'alimentation en eau. D'où l'importance et la diversité des dispositifs de rétention de l'eau : réduction des surfaces, existence de carapaces ou de coquilles, voire entrée en anhydrobiose (vie ralentie) ou activité purement nocturne.

L'eau en tant que liquide circulant

Le pouvoir solvant de l'eau à l'égard de la plupart des substances vitales : oxygène, gaz carbonique, minéraux, glucose, acides aminés, etc., fait d'elle le meilleur support pour la distribution de ces substances à tout un organisme, sous la forme des sèves brute et élaborée chez les plantes, du sang chez les animaux. Très fluide, l'eau circule dans les vaisseaux à faible coût énergétique et elle peut véhiculer des particules solides telles que les globules du sang.

L’eau chez l'homme adulte

Le corps humain est constitué en moyenne de 60 % d'eau, diversement répartie.

L'eau extracellulaire, qui représente 40 % de l'eau totale, correspond au plasma, à la lymphe, au liquide céphalorachidien et aux liquides interstitiels baignant les cellules.

L'eau intracellulaire, c'est-à-dire incluse dans les cellules, représente 60 % de l'eau totale de l'organisme.

L'eau circule d'un secteur à l'autre en fonction des concentrations existant respectivement de part et d'autre de la membrane cellulaire. Elle permet le transport des diverses substances qu'elle renferme en solution et les réactions chimiques entre elles. L'organisme humain perd en moyenne 2,5 litres d'eau par jour, principalement par les urines, ces pertes étant régulées par les reins (sous l'effet de l'hormone antidiurétique), le tube digestif, les poumons (respiration) et la peau (transpiration). Les pertes organiques en eau doivent être compensées par un apport correspondant : eau de boisson, eau contenue dans les aliments et eau métabolique, provenant de la combustion des nutriments. Le métabolisme de l'eau est régulé par l'organisme. La soif est le premier signal indiquant au sujet un déficit en eau.

Dans certaines situations pathologiques, la teneur en eau de l'organisme peut varier. Lors d'une déshydratation, elle est insuffisante. À l'inverse, lors d'une sécrétion trop importante d'hormone antidiurétique, l'organisme a tendance à retenir trop d'eau, ce qui peut provoquer la formation d'œdèmes, en particulier d'œdème cérébral, susceptible d'entraîner des troubles de la conscience, voire un coma.