L'eau serait composée de deux liquides ! © José Manuel Suárez, Wikipédia, CC by 2.0

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L'eau est bien composée de deux liquides !

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Les étonnantes propriétés de l'eau liquide viennent bien de ce qu'elle fluctue entre deux états distincts, comme le montrent de nouvelles études menées à basse température à l'aide des rayons X. Ces deux fluides peuvent se séparer dans certaines conditions.

Aux yeux des physiciens et des chimistes, l'eau possède des propriétés singulières, même sans évoquer son rôle évident pour nous, organismes vivants. En effet, lorsque la pression ou la température varient dans certains intervalles, la densité, la chaleur spécifique, la viscosité et la compressibilité de l'eau varient à l'inverse du comportement d'autres liquides. Ainsi, l'eau se dilate quand elle gèle : voilà pourquoi les glaçons flottent à la surface d'un verre d'eau. La densité de l'eau est en fait maximale vers 4 °C, ce qui explique pourquoi les fonds des lacs et des rivières sont occupés par des eaux à cette température, qui sont plus denses et donc plus lourdes à volume égal. Il en est généralement de même au fond des océans, mais pas toujours car la salinité de l'eau peut intervenir.

Il y a quelques mois, une équipe internationale de chercheurs, dont plusieurs sont en poste à l'université de Stockholm, avait publié un article faisant état de travaux portant sur la structure de l'eau lorsqu'elle passe de l'état de glace amorphe à celui d'un liquide. Les physiciens avaient utilisé une technique de diffraction des rayons X employée en cristallographie. Les mesures semblaient confirmer une théorie expliquant que l'eau liquide, même si on n'y rencontre que des molécules H2O, est en fait un mélange complexe de deux liquides.

L'eau à 4 °C est plus dense que la glace qui la surplombe. Le glaçon flotte. Mieux, dans certaines conditions de pression et de température, l'eau doit se séparer en deux phases liquides macroscopiques alors qu'elle est en général un mélange complexe. © Stockholm University

L'eau pourrait se séparer en deux phases liquides

Plusieurs des membres suédois de l'équipe à l'origine de cette découverte publient aujourd'hui les résultats d'autres travaux sur les mystères de l'eau dans un article de Science. Des sources laser de rayons X au Japon et en Corée du Sud ont été mises à contribution pour étudier le comportement et la structure de l'eau en état de surfusion. Elle conserve alors son état liquide à pression ambiante mais à des températures qui peuvent être à plusieurs dizaines de degrés en dessous de 0 °C. Des chocs peuvent alors toutefois conduire à une prise en glace très rapide.

L'eau se dilate d'autant plus rapidement avec une variation de température qu'elle est froide et en dessous de 4 °C. Le phénomène est censé être maximal à -44 °C. C'est à cette température que ces chercheurs ont mené leurs expériences pour étudier la prise en glace.

Elles ont confirmé que l'eau était bien un mélange complexe oscillant perpétuellement entre deux liquides différents. Mais surtout, les chercheurs en tirent la conclusion que les deux liquides entre lesquels l'eau fluctue peuvent en fait se séparer en deux phases de densités différentes, comme le ferait l'eau et l'huile comme l'explique dans une vidéo Anders Nilsson, professeur de physico-chimie à l'université de Stockholm.

En bonus, ces travaux ont montré des différences selon que l'eau était ou non de l'eau lourde, donc de formule D2O, où D désigne un isotope de l'hydrogène, le deutérium. Ces différences doivent provenir d'effets quantiques résultant de l'influence des noyaux d'hydrogène sur les cortèges d'électrons.

  • Il existe plus de 70 propriétés de l'eau (point de fusion, densité, capacité calorifique, etc.) qui, prises ensemble, diffèrent de celles de la plupart des liquides. Ces propriétés anormales de l'eau sont une condition préalable à la vie telle que nous la connaissons. Pourtant, personne ne comprend très bien leurs origines.
  • L'eau peut aussi exister sous différentes formes de glaces, cristallines ou « amorphes ». Elle contient, même liquide, des petites structures ordonnées transitoires qu'il est possible d'étudier avec la diffraction des rayons X.
  • Cette méthode vient de révéler que l'eau liquide ordinaire était elle-même un mélange complexe et fluctuant de deux formes liquides qui peuvent se séparer macroscopiquement dans certaines conditions.
Pour en savoir plus

Surprise : l'eau est composée de deux liquides !

Article de Laurent Sacco publié le 28/06/2017

L'eau a des propriétés singulières qui déroutent encore chimistes et physiciens. En étudiant différentes formes de glace en train de fondre avec des rayons X, un groupe de chercheurs vient d'établir que l'eau liquide était en fait un mélange complexe de deux formes liquides de l'eau.

L'eau est au centre de notre vie. Elle semble ordinaire et familière, en tout cas pour nous, occidentaux des XXe et XXIe siècles. Pourtant, c'est un liquide singulier pour les physiciens et les chimistes. D'ailleurs, ceux-ci n'ont pas encore percé tous les secrets de l'eau, même armés des ordinateurs modernes et de l'équation de Schrödinger.

D'abord, l'eau est un solvant presque universel, en particulier pour les solides ioniques (comme les cristaux de sel) et les corps composés de molécules polaires. Ensuite, contrairement aux autres liquides, l'eau augmente de volume quand elle gèle ; c'est ce qui explique que les icebergs flottent. Toutefois, cela n'est vrai que lorsque l'on considère la forme de la glace connue de tout à chacun, mais physiciens et chimistes savent bien que plusieurs types de glace apparaissent dans différentes phases selon les conditions de température et de pression. Ils connaissent ainsi plus d'une dizaine de formes cristallines de l'eau, et même une forme dite amorphe, où il n'existe pas vraiment de structures ordonnées à grande échelle.

Ils savent toutefois que, même dans de l'eau liquide à des échelles de temps et de distances très courtes, des molécules d'eau s'assemblent très transitoirement du fait des fameuses liaisons hydrogène en donnant des structures cristallines. Ces structures sont appelées « des clusters d'eau ». Ce phénomène est si mal compris qu'il est actuellement considéré comme l'un des problèmes non résolus de la chimie.

Une introduction à la cristallographie aux rayons X. © The Royal Institution, YouTube

Les mystères de la structure de l'eau

Pour tenter de percer les mystères de la structure de l'eau, qu'elle soit solide ou liquide, les physiciens ont recours à une puissante méthode de cristallographie : la diffraction des rayons X. Celle-ci a révolutionné notre compréhension de la matière, comme l'explique très bien la vidéo ci-dessus.

Mais, qui dit diffraction de rayons X, dit tout d'abord sources de rayons X : il s'agit généralement de synchrotrons, c'est-à-dire, plus précisément, d'accélérateurs d'électrons. Or, comme les membres d'une équipe internationale de physiciens viennent de l'expliquer dans une publication disponible sur Pnas, ils se sont servis des sources disponibles au laboratoire national d'Argonne (États-Unis) et au Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Synchrotron allemand à électrons), à Hambourg.

Les chercheurs ont tiré de leurs expériences la conclusion que l'eau liquide devait en fait être un mélange de deux formes liquides pour l'eau. Les spécialistes s'en doutaient depuis un certain temps. En effet, comme expliqué précédemment, la glace peut exister sous plusieurs formes cristallines et il existe aussi une « forme amorphe », qui n'est pas ordonnée à grande échelle et qui est donc désordonnée comme un liquide.

Deux glaces amorphes qui donnent deux liquides différents en fondant

Or, il existe en fait deux formes de glace amorphe ; leurs densités ne sont pas les mêmes et elles peuvent se transformer l'une dans l'autre. Les physico-chimistes s'étaient donc demandé si l'eau liquide n'était pas finalement elle-même un mélange de deux formes liquides, également de densités différentes et dont chacune pouvait conduire à basse température à de la glace amorphe. C'est précisément la transformation de ces glaces amorphes en liquides que les chercheurs ont pu suivre en étudiant avec les rayons X les modifications des structures malgré tout présentes.

Selon Lars G. M. Pettersson, professeur en physico-chimie théorique à l'université de Stockholm et coauteur du travail publié dans Pnas, « les nouveaux résultats soutiennent fortement l'idée que l'eau, à température ambiante, ne peut pas décider dans laquelle des deux formes elle devrait être, à haute ou faible densité, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux. En un mot : l'eau n'est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples avec une relation compliquée ».

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