Lorsque l’eau passe de l’état liquide à l’état solide, ses propriétés physiques subissent des transformations notables. Une question intrigante se pose alors : un litre d’eau congelée a-t-il le même poids qu’un litre d’eau liquide ? Cette interrogation trouve sa réponse dans les principes fondamentaux de la physique et de la chimie.
En réalité, le poids d’un litre d’eau reste constant, qu’elle soit liquide ou congelée. Le volume de l’eau augmente lorsqu’elle gèle en raison de la formation d’une structure cristalline plus espacée. Bien que la masse reste identique, la densité de l’eau diminue lorsqu’elle passe à l’état solide, ce qui explique pourquoi la glace flotte sur l’eau.
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Plan de l'article
Les propriétés physiques de l’eau et de la glace
La transformation de l’eau en glace repose sur des changements structuraux au niveau moléculaire. La molécule d’eau, composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, forme des liaisons particulières. Ces liaisons hydrogènes sont responsables de la structure hexagonale de la glace et de la forme tordue dans l’eau liquide.
- Lorsque l’eau se transforme en glace, elle prend environ 10 % de volume supplémentaire.
- L’atome d’oxygène est chargé négativement, tandis que les atomes d’hydrogène sont chargés positivement.
- La molécule d’eau, polarisée en raison de cette distribution de charges, permet la formation des liaisons hydrogènes.
- Dans l’eau liquide, ces liaisons sont tordues, alors que dans la glace, elles adoptent une forme hexagonale.
La polarité de la molécule d’eau et les liaisons hydrogènes expliquent les variations de volume et de densité entre les deux états. Ces transformations ne modifient pas la masse, mais affectent la disposition spatiale des molécules. L’eau, en devenant glace, voit ses molécules s’éloigner légèrement les unes des autres, augmentant ainsi le volume global.
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Les principes de la densité et du volume
La densité et le volume sont deux concepts fondamentaux pour comprendre les différences entre l’eau liquide et la glace. La densité, définie comme la masse par unité de volume, varie selon l’état de l’eau. La glace, avec une densité de 0,91 g/cm³, est moins dense que l’eau liquide, qui a une densité de 1 g/cm³. Un litre d’eau liquide et un litre de glace n’ont pas le même volume ni la même densité.
En physique, l’eau présente une anomalie dilatométrique. Cette propriété singulière se manifeste par le fait que l’eau, en se solidifiant, augmente de volume. La glace, en raison de sa structure hexagonale, occupe plus d’espace que l’eau liquide. Cette augmentation de volume est due à la distance légèrement supérieure entre les molécules dans l’état solide.
Le CNRS explique cette variation de volume par la nature des liaisons hydrogènes dans la glace. Ces liaisons, organisées de manière hexagonale, créent des espaces vides entre les molécules, augmentant ainsi le volume global de la glace. Cette structure explique pourquoi la glace flotte sur l’eau : étant moins dense, elle occupe plus de volume pour une même masse.
- L’eau liquide a un volume inférieur à celui de la glace.
- La glace est plus volumineuse en raison d’une distance légèrement supérieure séparant les molécules.
- La glace est donc moins dense que l’eau.
Cette compréhension des principes de la densité et du volume permet de répondre à la question initiale : un litre d’eau liquide et un litre de glace n’ont pas la même densité ni le même volume, bien que leur masse soit identique.
Expériences et observations pratiques
Pour vérifier les propriétés de l’eau sous différentes températures, plusieurs expériences simples peuvent être réalisées. L’une des méthodes les plus fascinantes consiste à observer le phénomène de surfusion. Si vous sortez une bouteille d’eau du congélateur et que l’eau reste liquide, cela signifie que l’eau est surfondue. Cette condition permet de démontrer que l’eau peut rester liquide même en dessous de son point de congélation.
- La surfusion : L’eau peut rester liquide en dessous de 0°C.
- Le point de fusion : Température à laquelle l’eau passe de l’état solide à l’état liquide.
- Le point de solidification : Température à laquelle l’eau passe de l’état liquide à l’état solide.
Les chaufferettes chimiques exploitent aussi le phénomène de surfusion. Ces dispositifs contiennent de l’acétate de sodium trihydraté, une substance qui reste liquide à température ambiante mais qui solidifie rapidement lorsqu’on active la chaufferette. Ce processus démontre la transition rapide entre les états liquide et solide.
| Température (°C) | État de l’eau |
|---|---|
| -2 | Surfondue |
| 0 | Point de congélation |
| 100 | Point d’ébullition |
En observant la pluie verglaçante, on constate aussi le rôle de la surfusion. Les gouttelettes d’eau restent liquides en quittant le nuage mais se solidifient au contact du sol froid. Ce phénomène illustre comment l’eau peut changer d’état en fonction des conditions environnementales.
