La Chimie de l’Eau

Utilisation de l’eau

Nous utilisons l’eau pour de multiples applications en dehors de la boisson, pourtant la chimie de l’eau nous est globalement inconnue. Pourquoi des surfaces immergées s’encrassent-elles ? Pourquoi avons-nous besoin de nous savonner sous notre douche ?

Voilà pourtant de nombreux domaines ou nous utilisons cette chimie si particulière qu’elle en est unique :

  • Nettoyage et Lavage
  • Matière première
  • Nous produisons de la vapeur pour créer une force ou transporter de l’énergie
  • Nous nous en servons pour refroidir des services qui nous sont utiles comme la climatisation ou des radiateurs de voitures.
  • Et nous nous en servons dans différents procédés industriels.
Station d'eaux usées
Station de traitement des eaux usées (photo Yret Solutions)

 

Si l’eau possède la faculté de s’adapter à de nombreux usage, il y a des limites à son utilisation.

C’est ainsi que son utilisation génère des problèmes de tartre, de corrosion ou de dépôts liés à de l’activité bactérienne. Cela se traduit par un encrassement des équipements comme vous pouvez le voir par exemple ci-joint dans un lave-vaiselle.

Le pouvoir magique de l’eau

Crédits : Futura Sciences / Youtube
La magie de l’eau
La liaison hydrogène La Forme de l’eau Les conséquences

Pourquoi l’eau est-elle liquide ?

Nous croyons tous que l’eau se présente sous une forme simple, cette molécule ci-contre

Deux petits atomes d’hydrogène reliés à l’oxygène au centre par une liaison forte, dite liaison covalente.

Pourtant, l’atome d’hydrogène est si petit, qu’il ne contient qu’une particule au centre, un proton. L’oxygène à ses côtés a un noyau qui en contient 16 ! Un monstre.

Si le noyau de l’atome d’hydrogène était une boule de 1m de diamètre, l’atome d’oxygène formerait une boule de 2 à 3m à la distance de …110 kms

Imaginez un instant que ce petit bout de rien du tout, mon noyau d’hydrogène, un proton, se retrouve influencé à 120km, de l’autre côté, par un autre atome d’oxygène ?

Tel un petit chien qui se promènerait entre ses deux maîtres, ce proton va donc se lier aussi avec cet autre oxygène. Ce phénomène, bien connu des chimistes et des physiciens s’appelle la LIAISON HYDROGENE.

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Crédits images Wikipedia

La forme tétraédrique de l’eau

L’ensemble des molécules d’eau qui vont être présentes, dans un verre d’eau par exemple, vont donc se relier en créant des ponts entre elles. Ces ponts sont stables et confèrent à l’eau une structure organisée mais suffisamment plastique (déformable) pour s’adapter parfaitement à tout contenant ou type de situation.

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Crédit : Wikipédia
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Crédits : Wikipédia/Yret Solutions

Ces liaisons vont créer une structure complexe dont la forme de base est un tétraèdre reliant un atome d’oxygène au centre et quatre atomes d’oxygène aux quatre sommets par des liaisons hydrogènes.

Ces structures réagissent avec la température.

Bentley Snowflake18 A basse température, elles deviennent moins réactivent et se figent lorsque celle-ci descend en dessous de zéro. La structure apparait alors très visiblement sous la forme d’un flocon.
Cette structure peut, dans des conditions très particulières, inclure des gaz ou d’autres composés. C’est le cas des hydrates de méthane, ou clathrates de méthane, qui incluent des molécules de gaz naturel piégées dans la structure de la glace (photo de droite)
Gashydrat mit Struktur

C’est cette propriété particulière de l’eau qui explique le phénomène visible dans la vidéo prise dans la station spatiale internationale.
Sans cette structure et sans les liaisons hydrogène, en apesanteur l’eau se fragmenterait immédiatement en molécules, donc sous forme de gaz.
Les conséquences de ce phénomène sont exposées page suivante.

Pourquoi l’eau ne mouille pas (ou pas si bien que ça !)

Si la structure complexe de l’eau permet une grande adaptabilité aux contenants dans laquelle elle se trouvera, en revanche sa grande stabilité a pour conséquence assez paradoxale de ne pas rendre la molécule d’eau disponible pour mouiller (on dit hydrater) une surface ou une poussière, un débris.

Lorsque l’eau se trouve polluée par des débris, des bactéries, de la salissure microscopique, ou plus simplement si l’eau est trop dure et que le tartre tend à se déposer alors la structure tétraédrique de l’eau aura tendance à accélérer l’apparition de dépôts.
D’autant que la structure n’empèchera pas les dépôts d’adhérer à la surface la plus proche, mais la structure aura également comme effet de repousser ceux-ci vers cette surface.
C’est le phénomène principal qui explique l’apparition assez rapide de dépôts odorants dans les machines à laver, de dépôts gluants sur les surfaces d’une piscine, de bassins d’eau comme des fontaines ou des aquariums. Il accélère l’apparition de tartre dans les endroits sensibles.
L’illustration de droite symbolise parfaitement ce phénomène.

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Crédits : Wikipédia/Yret Solutions
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Afin de lutter contre ce phénomène il faut rendre la molécule d’eau disponible et rendre les surfaces plus à même de capter des molécules d’eau extraites des structures complexes.
L’édifice tétraédrique est stable, il possède une grande cohésion interne maintenue par une énergie importante comparativement à la taille de la molécule et des particules en jeu. Cette énergie de cohésion interne, une entropie, doit être brisée afin de rendre l’eau plus disponible pour mouiller des surfaces ou des débris.
Ce travail est généralement dévolu à des agents mouillants, appelés également tensio-actifs.
Ces tensio-actifs sont généralement de nature chimique, plus rarement de nature physique (le Catalyseur bioYret ou sa version plus particulière, Le Cube bioClean sont des systèmes physiques).
Classiquement, on pourra y trouver les lessives, les liquides vaisselles, les savons, les agents nettoyants et moussants. A noter qu’un tensio-actif n’est pas un agent désinfectant, il disperse la matière mais ne la tue pas.
Un savon, ou un liquide vaisselle peut néanmoins contenir également un désinfectant.

/* Article Yret Solutions */

 

L’hydratation des éléments dans l’eau

Les charges électriques présentes dans la molécule d’eau ne sont pas équitablement réparties. Elle possède donc ce qu’on appelle un moment dipolaire. Ce moment dipolaire permet de solvater (ou hydrater, puisque nous sommes dans l’eau) les différents éléments présent dans l’eau comme par exemple des minéraux. Le schéma de gauche représente ce moment dipolaire dans la molécule d’eau.
Les deux autres schémas permettent de visualiser la solvatation du sel de cuisine dans l’eau avec la solvatation du chlorure et celle du sodium.
C’est ce phénomène de solvatation qui est naturellement contrarié par la forme tétraédrique de l’eau.
Cette forme tétraédrique n’est pas figée, elle évolue en permanence et maintient un équilibre avec les molécules d’eau libre. Cet équilibre évolue au cours d’une élévation de température. Plus la température augmente, plus l’énergie fournie à la structure tétaédrique de l’eau permet de libérer des molécules d’eau. Donc plus la température augmente, plus il y a d’eau sous forme libre disponible, donc plus le sel de cuisine, le sucre ou des éléments salissants incrustés se dissoudront ou se disperseront facilement
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Moment dipolaire de la molécule d’eau
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Solvatation du chlorure dans l’eau
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Solvatation du sodium par l’eau


Voir la suite et comment un circuit d’eau, une machine s’encrassent.