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RÉSUMÉ
Il convient de rappeler que l'eau, ce liquide si familier, possède des propriétés très particulières et surtout primordiales à la survie de l'homme. D'apparence banal, c'est également le fluide dont la complexité est la plus remarquable. Après un rapide historique des connaissances humaines sur la composition et la structure de la molécule d'eau, ses différents états (solide, liquide, gazeux) et la différences d'organisation des molécules dans chacun d'entre eux sont expliqués. Puis, les propriétés physiques (masse volumique, densité, tension superficielle, propriétés thermiques et électriques), physico-chimiques et biologiques de l'eau sont ensuite détaillées dans cet article.
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Pierre MOUCHET : Ingénieur agronome INA Paris – GREF - Ancien directeur à la société Degrémont
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Michel ROUSTAN : Professeur émérite - LISBP, laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés - UMR INSA/CNRS 5504 et UMR INSA/INRA 792 (Toulouse) - Cet article correspond au paragraphe 1. « L'eau pure et ses propriétés » initialement rédigé par Jean-Claude BOEGLIN dans [G 1 110] Propriétés des eaux naturelles paru en janvier 2001.
INTRODUCTION
Le caractère banal de l'eau qui nous environne fait parfois oublier que ce liquide qui nous est si familier s'avère en réalité, grâce à ses propriétés très particulières, à la fois :
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un composé indispensable à la vie ; en particulier, l'eau entre pour 70 à 80 % en moyenne dans la composition de la matière vivante (mais en variant de 4 % pour les formes de résistance à plus de 98 % pour certains êtres aquatiques) et c'est le principal constituant de l'organisme humain :
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embryon de trois jours : 94 à 97 %,
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nouveau-né : 66 à 75 %,
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adulte : 58 à 70 %,
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vieillard : 55 à 60 % ;
de plus, l'homme ne peut pas vivre plus de quatre jours sans eau, en moyenne (quelques exceptions de plus longue durée ont été constatées, par exemple après le tremblement de terre de janvier 2010 en Haïti) ;
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le fluide dont la complexité est la plus remarquable : par rapport à la plupart des autres substances, l'eau présente de nombreuses anomalies qui seront évoquées dans ce dossier.
Après avoir rappelé la progression historique des connaissances humaines sur la composition de l'eau et les diverses acceptions du terme (voir encadrés 1 et 2), cet article passera en revue la composition, la structure et les principales propriétés physico-chimiques et biologiques de l'eau, surtout dans des domaines de température et de pression proches des conditions ambiantes, intéressant donc les études et les applications relatives à l'écologie, au traitement et à la distribution des eaux potables ou industrielles de procédé, à l'assainissement, etc. Il convient de rappeler que les propriétés thermodynamiques de l'eau dans tous ses états et dans tous ses domaines d'utilisation industrielle, dans de très larges gammes de pression et de température (respectivement jusqu'à 1 GPa ou 10 kbar et 2 500 K), font l'objet d'un autre dossier dans ce Traité [K 585v2] (voir aussi [W 120], archivé). Dans ce qui suit, seront successivement examinés :
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la composition et la structure de la molécule d'eau, en mettant l'accent sur deux caractéristiques (disposition en dipôle, liaison hydrogène) d'où découlent certaines propriétés physico-chimiques particulières de l'eau (voir aussi [RE 53]) ;
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les trois états de l'eau (solide, liquide, gazeux) et les différences d'organisation des molécules dans chacun d'entre eux ;
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les propriétés physiques de l'eau, en détaillant les particularités de certaines de ses constantes caractéristiques et leurs conséquences pratiques ;
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les propriétés physico-chimiques de l'eau, qui font de ce liquide un solvant quasi universel ;
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les propriétés biologiques de l'eau, qui expliquent son rôle dans la vie sur Terre et dans le fonctionnement des organismes vivants.
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Propriétés physiques de l'eau
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2. Différents états de l'eau
2.1 Diagramme de phase de l'eau
Comme pour la plupart des corps, l'eau peut se présenter sous trois états ou phases : solide (glace), liquide (eau proprement dite) et gazeux (vapeur d'eau).
Pour l'eau, ces trois phases coexistent dans la nature (elle est la seule substance sur Terre à posséder cette propriété), toujours observables deux à deux, et plus ou moins en équilibre : eau-glace, glace-vapeur, eau-vapeur, selon les conditions de température et de pression. On peut voir les courbes d'équilibre correspondantes sur la figure 4 (diagramme de phase ou de changement d'état), qui traduit graphiquement les conditions de température et de pression dans lesquelles existent les trois phases de l'eau, ainsi que leurs domaines respectifs de stabilité : ce diagramme est établi pour des équilibres et n'est pas applicable aux états métastables (par exemple : eau en surfusion, en l'absence de germe de cristallisation, à t < 0 oC sous 1 atm).
Plus précisément, suivant les phases concernées et le sens du passage d'état, les transitions sont nommées comme indiqué dans le tableau 2. L'eau liquide peut coexister avec de la vapeur atmosphérique à température ambiante grâce à une pression de vapeur saturante très inférieure à 1 atm (voir tableau 3, où l'on voit que la pression de vapeur saturante de l'eau dans l'air augmente avec la température) ; elle atteint cette valeur de 1 atm à 100 oC, ce qui permet l'ébullition sous les conditions normales de pression.
On peut voir sur la figure 4 que, contrairement à la fusion où le changement d'état s'accompagne d'une faible variation de volume, la température d'ébullition dépend dans une grande mesure de la pression (ce qui découle aussi du § 1), phénomène qui sera...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ALLÈGRE (C.) - Un peu de science pour tout le monde. - Fayard, 405 p. (2003).
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(2) - BELLISSENT-FUNEL (M.-C.) Éd - Hydration processes in Biology. - Nato Science Series A, IOS Press, 305 (1999).
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(3) - BELLISSENT-FUNEL (M.-C.) - Hydrophilic-hydrophobic interplay : from model systems to living systems. - C. R. Acad. Sciences, Geoscience, 337, p. 173-179 (2005).
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-
(5) - CABANE (B.), VUILLEUMIER (R.) - La physique de l'eau liquide. - C. R. Geoscience, 337, no 1-2, p. 159-171 (2005).
-
(6) - CARO (P.) - Les propriétés physiques et chimiques de l'eau. - In Le grand livre...
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