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Histoires d’eau (la molécule)

mercredi 30 décembre 2020, par Robert Paris

L’eau est la seule molécule :

– qui existe à la fois sur Terre sous forme solide, liquide et gazeuse, ainsi que des états intermédiaires

– qui a une densité à l’état solide plus faible que celle à l’état liquide

– qui est un solvant universel grâce à sa bipolarité H+ / OH-

– qui a la chaleur spécifique est la plus élevée sur terre

– qui est un formidable tampon thermique

– qui présente un maximum de densité pour une température proche de +4° C

– qui a une constante diélectrique élevée

– qui a une disponibilité électronique potentielle rendant la molécule d’eau très affine pour de multiples substances

– qui a un déséquilibre électronique ayant pour effet de rendre possible des liaisons entre l’atome d’hydrogène d’une molécule avec l’atome d’oxygène d’une autre molécule (liaison hydrogène)

– qui est est particulièrement stable pour la raison que les atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène qui la constituent mettent chacun en commun un électron pour établir leur liaison

– qui a à la fois une chaleur spécifique très élevée, une chaleur latente très élevée, une chaleur latente de vaporisation très élevée, une capacité de dissolution très importante

« Jusqu’à la fin du XXè siècle, l’eau était considérée comme une substance amorphe, c’est-à-dire dotée d’une structure moléculaire totalement désordonnée. Depuis lors, un accélérateur de particules a permis de l’observer de bien plus près. Et d’établir que, sous sa forme liquide, l’eau présente bien une structure régulière et répétitive, similaire à celle de sa version cristallisée, la glace. Un détail ? Loin de là. Désormais classée parmi les minéraux, l’eau a fait évoluer leur définition par ricochet : ceux-ci ne désignent plus simplement des solides dont les atomes sont agencés de façon ordonnée et régulière, mais tout corps pourvu d’une telle organisation.

Bien que d’une force ténue, la liaison hydrogène joue un rôle important en physique et en biologie moléculaire. C’est elle qui attire entre elles les molécules d’eau et explique la formation de la glace. Des chercheurs japonais viennent de l’observer en direct, sur des molécules isolées, à l’aide d’un microscope à effet tunnel.

Vingt fois plus faible que la liaison covalente, mais plus forte que les liaisons de van der Waals, ses cousines, la liaison hydrogène est responsable non seulement du haut point d’ébullition de l’eau mais aussi de la formation des structures tridimensionnelles des protéines, et surtout, des liaisons entre les bases de l’ADN. On peut donc sérieusement la considérer comme la liaison chimique de la vie.
Bien qu’elle soit en grande partie d’origine électrostatique et de type dipôle-dipôle, il semblerait malgré tout, suite à de récentes études, qu’une partie de la liaison hydrogène soit bien une forme de liaison covalente comme l’avait proposé il y a longtemps le prix Nobel Linus Pauling. La liaison hydrogène possède en effet un caractère de directivité semblable à celui de la liaison covalente. Il existe donc un échange entre les deux molécules d’eau et chacune d’elle tient à tour de rôle ceux d’accepteur et de donneur.
Un effet tunnel échange les rôles des deux molécules d’eau
Des chercheurs japonais ont observé en direct l’une des propriétés dynamiques de la liaison hydrogène, celle qui fait la spécificité de la molécule d’eau : l’échange de rôles entre deux molécules ! Ils ont réussi à mesurer la fréquence à laquelle deux molécules (dimère) échangent leur statut d’accepteur et de donneur de liaison : 60 fois par seconde pour des dimères d’eau normale (H20), contre une seule fois pour des dimères d’eau lourde (D20). Ils en ont alors conclu que le mécanisme à l’origine de cet échange est l’effet tunnel, phénomène quantique qui permet à des particules de franchir une barrière d’énergie alors qu’elles devraient en être incapable.

Les molécules d’eau sont constituées de minuscules particules séparées par une grande quantité... de vide !
En effet, le diamètre d’une molécule d’eau est de 0,3 milliardième de mètre. Or cette molécule est composée de 2 atomes d’hydrogène (soit 2 protons et 2 électrons), et d’un atome d’oxygène (8 protons, 8 neutrons et 8 électrons). La taille d’un électron est négligeable ; quant aux protons et aux neutrons, leur diamètre est d’un millionième de milliardième de mètre. Si on compare le volume qu’ils occupent par rapport à celui de la molécule, on constate qu’une molécule d’eau, et donc un verre quasi plein, est à 99,99999999999999 % vide ! Pour autant, une fois plein, un verre ne peut plus accueillir de molécule supplémentaire. Il est donc bien rempli à... 100 %. »

Source

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