En savoir plus sur l eau

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1 «L eau n est pas nécessaire à la vie. Elle est la vie.» A. de St Exupéry En savoir plus sur l eau L eau est présente sur la Terre en énorme quantité : plus de 1,4 milliards de km³. Elle recouvre 72 % des 509 millions de km² de la surface du globe. C'est pour cela qu'on appelle la Terre "la planète bleue". 97,2% de cette quantité est formé d eaux salées, dans les mers et océans. L intérêt biologique de ces océans est évident : la vie vient de la mer. Les océans sont également une formidable machine thermique qui régule les climats de la Terre. Pensez que si le Gulf Stream ne baignait pas nos côtes, Bordeaux qui est situé à la même latitude que New York subirait les mêmes tempêtes de neige et le froid intense en hiver. L'eau douce représente 2,8% de l'eau totale : les glaciers (état solide de l'eau ) représentent 2,15 %, les eaux souterraines 0,63 %, les eaux de surface ( lacs, fleuves, rivières ): 0,019 % et l'eau sous forme gazeuse (vapeur) : 0,001 % Indispensable à la vie, omniprésente sur la Terre, l eau pourrait être banale C est pourtant un corps chimique passionnant, aux multiples propriétés Chimie de l eau : La MOLECULE d'eau (la partie la plus petite qui soit encore de l eau) est formée de 2 atomes d'hydrogene et d un atome d'oxygene. ( H2O) La représentation de la MOLECULE d'eau La molécule d eau est très petite : elle mesure 0, cm ( 1 x 10 8 ) L'eau est présente sur la Terre sous 3 formes (on dit 3 états) : l'état gazeux, l'état solide et l'état liquide. A l'état GAZEUX ( on parle de VAPEUR d'eau), les molécules sont dispersées et occupent un grand volume. Les MOLECULES d'eau à l'état GAZEUX. A l'état SOLIDE (on parle de glace), les molécules sont unies et se tiennent "par les oreilles" suivant un réseau cristallin qui peut varier selon la pression. Les molécules sont reliées en rangs moins serrés qu à l état liquide. Il y a des espaces vides entre les molécules : il y a donc moins de molécules de glace que dans un même volume d eau liquide et la glace est plus légère que l eau liquide. Page 1 sur 7

2 Les MOLECULES d'eau à l'état SOLIDE. A l'état LIQUIDE (on parle d'eau), les molécules se regroupent en «essaims» qui glissent les uns par rapport aux autres : Les MOLECULES d'eau à l'état LIQUIDE. Les changements d états de l eau On peut «jouer» les états de l eau en classe avec les élèves : chaque élève est une molécule d eau. Son corps représente l atome d oxygène, ses bras les atomes d hydrogène. Première consigne : Vous devez vous déplacer le plus rapidement possible. Vous ne devez pas vous toucher. Au coup de sifflet, vous vous bloquez net et on observe ce qui s est passé. Les élèves ont besoin d un très grand espace pour réaliser la consigne. Cela modélise bien l état gazeux. Les molécules sont isolées, peu nombreuses et occupent un grand espace. Deuxième consigne : Vous devez vous déplacer en restant toujours au contact d au moins un membre du groupe avec vos bras. Au coup de sifflet, vous vous bloquez net et on observe ce qui s est passé. Les élèves modélisent l eau liquide : les molécules s accrochent mais la liaison reste souple. Troisième consigne. Vous vous accrochez à vos voisins par vos bras tendus. Vous ne vous déplacez pas. Lorsque c est fait, le maître montre qu ils ont réalisé un bloc solide : la glace. Plus l eau est chaude, plus les molécules s agitent (L apport d énergie permet de s approcher du moment où les molécules pourront s arracher à l état de liquide pour prendre celui de gaz). On peut «visualiser» l agitation des molécules par la petite manipulation suivante : Page 2 sur 7

3 La danse des molécules d eau : Prendre deux récipients transparents. Remplir le premier avec de l eau froide, le deuxième avec de l eau la plus chaude possible. Avec une pipette déposer dans chaque récipient une goutte de colorant alimentaire (ou d encre) Observer ce qui se passe Eau froide Le colorant descend en filet. Eau chaude Presque instantanément, l eau se colore entièrement. Les molécules d eau chaude, plus actives, ont transporté les molécules de colorant dans tout le récipient. Pour reprendre la modélisation avec les enfants, si un pot de peinture percé est suspendu au plafond et que les enfants molécules ont pour consigne de se déplacer très peu ( eau froide),seuls ceux qui sont proches du filet de peinture seront colorés. Si la consigne est de bouger beaucoup, tout le monde sera très vite coloré! Diagramme de phase. La lecture du diagramme de phase permet de comprendre que les changements d états de l eau dépendent de la PRESSION et de la TEMPERATURE : Le passage du domaine liquide au domaine vapeur peut être illustré par. deux situations : Page 3 sur 7

4 En montagne où la pression est moindre qu au niveau de la mer, l eau va se mettre à bouillir à une température inférieure à 100 ( 85 au sommet du Mont Blanc). Résultat : vos pâtes vont mettre plus longtemps à cuire puisqu elles sont dans une eau moins chaude. Dans la cocotte-minute où l on arrive à obtenir une pression supérieure à celle ambiante, l eau bout à une température supérieure. Résultat : les aliments plongés dans une eau à température supérieure à 100 vont cuire plus vite. On comprend par là que l affirmation : «l eau bout à 100» est plus qu incertaine et aura du mal à être vérifiée expérimentalement surtout lorsqu on sait que s y rajoute l incertitude de nos thermomètres scolaires et le fait que la minéralisation plus ou moins grande de l eau joue également un rôle. On comprend aussi pourquoi l eau liquide est la forme la plus courant sur la terre, compte tenu des 14 degrés de température moyenne et de la pression d à peu près 1010 Hectopascal. ( Hp) Le point triple est un moment précis de température et de pression où cohabitent les trois états de l eau mais il n existe qu en laboratoire! Paliers de température B C A Sur ce graphique on note les paliers qui correspondent aux passages solide-liquide (fusion) et liquide-gaz (ébullition). En effet, il faut un apport d énergie de 80 calories pour qu un gramme de glace devienne liquide, (zone A) puis un apport de 100 calories pour que l eau liquide arrive au début de l ébullition.( zone B) Le passage liquide-gaz demandera 540 calories (zone C ) Les paliers de changement d état mettent en évidence le fait que les grandeurs physiques CHALEUR et TEMPERATURE sont différentes. On peut en effet «chauffer» un corps ( lui apporter de la chaleur) sans faire varier sa température : l énergie sert alors à le faire changer d état. La chaleur fournie ou enlevée à une substance peut augmenter ou diminuer sa TEMPERATURE. ( cas de la zone B) La chaleur fournie ou enlevée à une substance peut conduire à le faire changer d état., la température restant fixe. ( cas des paliers A et C) Quelques propriétés spécifiques de l eau L eau est le seul corps qui augmente de volume lorsqu il passe de liquide à solide. Conséquences: le récipient rempli à ras bord d eau et placé au congélateur va déborder. Compte tenu de la conservation de la masse, un glaçon plus volumineux à poids égal aura une densité moins grande et flottera sur l eau liquide. Vous pouvez voir la différence «eau / autre corps» en faisant l expérience suivante : Page 4 sur 7

5 Faites un glaçon d huile (si, si on y arrive!) Si vous le plongez dans un verre d huile, que va-t-il faire? Et pourquoi? (réponse en fin de dossier) Normalement, compte tenu des phénomènes physiques connus et expliqués, l eau devrait bouillir à la température ambiante. C est loin d être le cas et cela pose des problèmes aux scientifiques L eau liquide atteint sa densité la plus élevée à 4 C ( 999,972 Kg /m³ ) Si on continue à la refroidir, sa densité diminue ( 916,8 Kg/m³) Conséquence : Il se forme une couche de glace à la surface de l étang et pas un bloc compact de glace! ( heureusement pour les poissons! ) L eau refroidie à la surface devient plus dense et forme des courants de convection qui refroidissent l eau toute entière. Quand la température arrive à 4, l eau de surface continue de se refroidir mais ne forme plus de courants de convection. Elle devient moins dense et forme une couche de surface qui va finalement se transformer en glace. L eau peut monter et vaincre l attraction terrestre. Dans un tube en verre très étroit (0,5 mm), les forces d adhésion moléculaire soulèvent le bord de l eau le long de la paroi de verre. Les forces de cohésion entre les molécules d eau elles-mêmes ont pour conséquences que d autres molécules d eau, se trouvant plus éloignées de la paroi de verre sont également soulevées. Ce phénomène se nomme capillarité. Avec un tube de 4 mm de diamètre, la capillarité est encore présente mais pas avec plus On voit les effets de la force d adhésion dans un tube car une surface courbe appelée ménisque se forme là où un liquide rencontre une surface solide. Dans le cas de l eau, le ménisque est orienté vers le bas (et cela est à l origine des erreurs de parallaxe lorsqu on lit une température sur un thermomètre, ou une quantité de liquide dans un récipient gradué.) Les liaisons hydrogène de l eau en font un exceptionnel solvant. LE CYCLE de l EAU L eau est présente naturellement dans ses trois états sur Terre. L eau que nous buvons est la même que celle que buvaient les dinosaures. Page 5 sur 7

6 Données concernant le cycle de l eau : Précipitations au niveau des continents : km³ Glaces ( eau stockée) : km³ Eaux souterraines : km³ Eaux contenues dans les cellules vivantes : km³ Lacs et rivières : km³ Eau dans l atmosphère ( vapeur ) : km³ Océans : km³ Evapotranspiration ( végétaux) : km³ Evaporation au niveau des océans : km³ Précipitations au niveau des océans : km³ Bilan hydrologique : précipitations moyennes sur les continents : 720 mm/an (100 % ) évapotranspiration (respiration des plantes) 460 mm/an ( 64 % ) ruissellement ( eau qui arrive directement dans la rivière) 175 mm/an ( 24 % ) infiltration dans les nappes et écoulement souterrain 70 mm/an (10 % ) La différence entre l entrée ( la pluie 100 % ) et les trois sorties ( = 98 % ) est de 2 % soit 15 mm/an. Ceci représente, au niveau global, le flux d eau sous forme de glace, des continents aux océans, par la dérive et la fonte des icebergs. Lors des glaciations, comme il y a ans, le bilan hydrologique n est pas bouclé : l eau des précipitations s accumule sous forme de glace sur les continents, et le niveau des océans descend ( jusqu à moins 120 m) Inversement, dans notre période chaude due à l effet de serre, les glaciers polaires fondent et le niveau des océans monte. Il sera de quelques mètres plus haut dans une centaine d année. Temps de séjour de l eau dans les différentes étapes du cycle Océans : ans Nuages dans l atmosphère : 9 jours Glaciers : de à ans Eaux souterraines : ans Humidité des sols : 1 an Lacs d eau douce : 17 ans Rivières 16 jours Eau des cellules vivantes : quelques heures Et mon glaçon d huile? Comme tous les corps ( sauf l eau) l huile se contracte en gelant. La densité d un glaçon est donc supérieure à l huile liquide. Le glaçon coule Et de l huile liquide avec l eau liquide? Et un glaçon d huile dans l eau liquide? Et un glaçon d eau dans l huile liquide? Mettez donc la main à la pâte!!!! Page 6 sur 7

7 Bibliographie : Graines de sciences n 3 Editions le Pommier isbn L eau Ghislain de Marsily Flammarion Dominos nouvelle édition 2000 L eau au XXIème siècle 6 PF Teiniere-Buchot Futuribles 2000 Revue des deux mondes n spécial «l or bleu, l eau pour tous» - sept 2000 La Seine en son bassin M. Meybeck, E. Fustec et G.de Marsily Elsevier 1998 Vu sciences Gallimard jeunesse isbn Gullivore n 30 -spécial l eau isbn x 1991 Guide pédagogique «A monde ouvert C3- niveau 1» Hachette éducation Sitographie : :cw/dossiers/doseau/decou/proprie/menuproprie.htm ;fr/francais/al_cite/act_educ/webpages/animetats.swf Différenciation solide / liquide Propriétés des solides / propriétés des liquides : seules les propriétés opératoires sont demandées à l école. Cela signifie que l on se base sur des manipulations (opérations) pour essayer de définir les propriétés spécifiques aux liquides et celles des solides. Au niveau primaire on ne s intéresse pas aux définitions plus formelles vues au lycée (comme, par exemple : "prend la forme du vase qui le contient..." qui n a pas vraiment de signification utile à l école) On retient les caractéristiques suivantes : les solides peuvent avoir une forme bien définie et être "durs" seulement dans certaines conditions. On remarquera que pour les enfants, le terme "dur" signifie aussi l adjectif "solide". D où le problème pour les poudres qui elles, sont des solides et, comme les liquides peuvent couler.. C est la manipulation qui permettra de parvenir à ces différenciations. On peut différencier les poudres (solides en grains) des liquides. Seuls les liquides peuvent s évaporer, faire des taches sur un buvard, permettent d obtenir des gouttes (avec le doigt, la paille, le compte-gouttes), peuvent être pulvérisés avec un vaporisateur, et présentent une surface toujours plane (les enfants diront "plate"). Seuls les solides en poudre permettent de faire des tas, de conserver une déformation si l on y plonge le doigt. Page 7 sur 7