Pourquoi la glace prend-elle plus de place que l'eau liquide ?

Dans l'immense majorité des cas, l'état solide d'un corps, où les moléculesmolécules sont plus ordonnées, occupe moins de place que l'état liquide. Pour l'eau, c'est l'inverse.

Une anomalie dilatométrique

Les physiciensphysiciens nomment cela une « anomalieanomalie dilatométrique ». Quelques rares composés présentent aussi cette anomalie :

• l'antimoine ;
• le bismuthbismuth ;
• le galliumgallium ;
• le germaniumgermanium ;
• le plutoniumplutonium ;
• le siliciumsilicium.

La masse volumiquemasse volumique de la glace est de 0,91 g/cm³ alors que celle de l'eau liquide est de 1 g/cm³. Cette baisse de la masse volumique explique notamment que la glace flotte sur l'eau.

La glace prend plus de place : la faute aux liaisons hydrogène

L'anomalie dilatométrique s'explique par la structure particulière de la molécule d'eau H₂O, constituée de deux atomes d'hydrogènehydrogène liés à un atome d'oxygèneoxygène. En effet, l'atome d'oxygène est chargé négativement et les atomes d'hydrogène positivement. La molécule d'eau est donc une molécule polarisée.

Cette polarité forte permet de créer des liaisons, appelées « liaisons hydrogèneliaisons hydrogène », entre l'atome d'oxygène et l'atome d'hydrogène d'une molécule voisine. Dans la glace, les molécules d'eau retenues par des liaisons hydrogène s'agencent selon un réseau d'hexagones qui laisse beaucoup de vide : la glace prend donc plus de place que le liquide.

Les liaisons hydrogène se retrouvent aussi dans l'eau liquide mais de façon moins stable. D'ailleurs, cela confère à l'eau une température de vaporisation élevée (environ 100 °C) pour une si petite molécule (à titre de comparaison le H₂S se vaporise à -60 °C par exemple), et c'est la raison pour laquelle l’eau liquide existe sur Terre à température ambiante, et donc que la vie a pu se développer !