Une goutte d'eau
Introduction
L'eau, sans laquelle la vie ne pourrait exister, est la substance la plus commune sur la surface de la Terre. Ton corps est constitué d'environ 70% d'eau.
L'eau peut exister sous 3 états :
- Solide (glace)
- Liquide (eau)
- Gaz (vapeur)
Son état peut être changé en la chauffant ou en la refroidissant (ou en changeant la pression). Comment changer l’état de l’eau ?
Lorsque la glace est légèrement chauffée, elle commence à fondre et devient liquide. Si on continue à chauffer l’eau, elle se transformera en gaz aux alentours de 100° Celsius.
Pourquoi ceci se passe-t-il ?
L'eau est une molécule dont la formule chimique est H2O : deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène. Les particules de la glace (eau solide) sont serrées les unes contre les autres et unies par des liaisons chimiques appelées liaisons hydrogène. Elles vibrent en permanence, et lorsque la glace est chauffée, l'énergie qui est ajoutée cause encore davantage de vibrations. Certaines de ces liaisons sont alors rompues, et les particules sont libres de bouger : la glace devient liquide. Au fur et à mesure qu’on ajoute plus de chaleur, les particules acquièrent l’énergie suffisante pour rompre toutes leurs liaisons et s'échapper sous forme de gaz ou de vapeur.
Les propriétés de l'eau
La propriété physique de la matière, qui décrit comment les particules individuelles sont serrées les unes contre les autres, est appelée densité.
La Densité (D) est une mesure de la quantité de matière (masse ou m) dans un espace donné (volume ou V) et est exprimé comme suit :
D = m/V
Ce sont les différences de densité des matières terrestres qui sont à l’origine des courants marins, du vent et de la tectonique des plaques.
Habituellement, la densité de la matière augmente quand celle-ci passe d'un état gazeux à un état liquide, puis d'un état liquide à un état solide. La densité augmente également lorsque la température diminue, parce que la diminution de température fait aussi diminuer les vibrations dans les atomes. Comme les atomes bougent moins, ils se serrent plus densément les uns contre les autres. Mais pour l'eau, c’est différent ! L'eau a des propriétés physiques et chimiques très inhabituelles qui en font l'une des substances les plus importantes sur notre planète.
Regarde l'enregistrement vidéo de l'astronaute ESA Frank De Winne, qui effectue quelques démonstrations pour montrer comment l'eau se comporte en apesanteur dans la Station spatiale internationale (ISS). Les enseignants peuvent utiliser ce clip avec les notes ci-dessous pour permettre à leurs élèves de comparer la façon dont l'eau se comporte sur Terre et dans l'espace.
1. L’eau à l’état solide, un solide tellement inhabituel !
Pourquoi l'eau solide (glace) est-elle inhabituelle ?
Tu pourrais croire qu'une matière solide comme la glace coulerait au fond de l’eau. Cependant, tu sais que lorsque tu ajoutes des glaçons dans ton verre, ils flottent. Remplis une bouteille en plastique d’eau et ferme le haut de la bouteille. Place-la dans le congélateur et regarde-la le jour suivant. Tu remarqueras que le haut s’est débouché et que la bouteille s’est élargie.
La forme solide de l'eau (glace) est MOINS dense que la forme liquide. La densité de l'eau pure à quatre degrés Celsius est de 1,0 gr/cm³, tandis que la densité de la glace à zéro degré Celsius est de seulement 0,92 gr/cm³. L'eau liquide et la glace ont des densités différentes, car dans la glace, les molécules sont plus éloignées les unes des autres et remplissent donc plus d'espace que les molécules d'eau liquide.
Dans l'espace : Frank prend un petit morceau de glace et le place dans une goutte d'eau. Que se passe-t-il avec la glace au coeur de la goutte d'eau ? Est-ce que le morceau flotte, coule, ou réagit-il autrement ?
Réponse :
Dans la Station spatiale internationale, tout est en chute libre et il semble donc n’y avoir aucune force de gravité. La gravité est ce qui nous empêche de flotter sur Terre. Si l'on jette un objet, il retombera toujours par terre. Aïe !
Cette attirance qui tire tout vers la terre est appelée la force gravitationnelle. Ainsi, tout comme les astronautes (et tout ce qui n'est pas bien attaché !), tout flotte dans l'ISS. Même l'eau. La glace ne flottera ni ne coulera, mais bougera simplement à l’intérieur de la goutte d'eau.
2. La polarité de l'eau
L'eau est une molécule dipôle avec comme formule chimique H2O: deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène.
Une molécule d'eau n'a aucune charge globale. Mais il y a une légère charge négative dans la région de l'atome d'oxygène et une légère charge positive près de l’atome d'hydrogène. C'est ce qu'on appelle un dipôle. La charge globale de la molécule d'eau est nulle. Les charges positives et charges négatives sont égales, de sorte à ce qu’elles s'annulent mutuellement.
Démontrer la nature dipôle de l'eau
Matériaux nécessaires :
- Une source d'eau (un robinet par exemple)
- Une barre en verre ou une règle en plastique
Méthode :
- Laisse un petit filet d'eau couler du robinet.
- Prends ta règle ou ta barre et amène-la près de l’eau. Se passe-t-il quelque chose ?
- Frotte maintenant ta règle ou ta barre à plusieurs reprises sur un tissus ou un T-shirt. Apporte-la à proximité de l'eau. Que se passe-t-il maintenant ? Selon toi, pourquoi ?
Dans la Station spatiale internationale, Frank De Winne utilise un morceau de plastique (au lieu d'une barre) afin de créer une charge (par exemple positive +). En frottant le morceau de plastique sur ses vêtements, une charge positive s'accumule sur la surface. En rapprochant le plastique de la goutte d'eau, la charge de celui-ci va attirer la charge opposée dans les molécules d'eau (la charge négative de l'oxygène).
Question :
Pourquoi Frank ne peut-il avoir un jet d’eau dans l’ISS ? Qu'advient-il de la goutte d'eau quand il approche le morceau de plastique près de celle-ci ?
Réponse :
La barre ou la règle va attirer le filet d’eau à cause de sa charge positive qui attire la charge négative de la molécule d'eau. Quand Frank approche le morceau de plastique de l’eau, la goutte devrait se mettre à bouger et à suivre le plastique chargé. L'oxygène chargée négativement sera attirée par la charge positive sur le plastique.
Frank ne peut pas utiliser de jet d'eau dans l'ISS, car tout flotte (est en chute libre). L'eau pourrait ainsi facilement s’introduire dans les équipements électriques et causer des dommages. L'eau doit provenir d'un sac spécial pour eau potable et doit être épongée après son utilisation.
3. La solubilité de l'eau
L'eau a la propriété très importante d'être capable de dissoudre de nombreuses matières solides et des gaz. Que se passe-t-il lorsque tu ajoutes du sucre (un solide) à ton café ?
Le sucre est soluble dans l'eau. Certaines choses sont insolubles (ne se dissolvent pas). Peux-tu donner des exemples ?
A essayer : qu’est-ce qui se dissout ?
Matériaux nécessaires :
Un morceau de sucre, quelques grains de sel, du café instantané et des résidus de café, de petits morceaux de bois (copeaux, foin), de petits copeaux de plastique, des morceaux de cire, des pots en verre, une cuillère ou un agitateur, une source d'eau et un lieu pour disposer les déchets.
Méthode :
- Ajoute un à un les différents matériaux à l'eau dans un pot et regarde si la substance se dissout ou pas. Tu devras peut-être remuer.
- Fais un tableau dans lequel tu notes ce qui se dissout et ce qui ne se dissout pas.
Sur Terre, nous pouvons clairement voir si une matière se dissout, en particulier si elle a une couleur. Elle semble «disparaître» dans l'eau. En ajoutant du sucre à notre thé/café, le goût devient sucré (NE PAS GOUTER en classe !).
Dans l'espace, où les conditions sont différentes que sur Terre, le sucre se dissoudrait-il aussi dans le thé ? Nous savons que tout y flotte, mais le sucre flottera-t-il simplement dans l'eau, ou se dissoudra-t-il réellement ?
Frank va essayer de dissoudre le sucre dans son récipient de thé. Que penses-tu qu'il arriverait si l'eau était plus chaude ? Ou agitée ? Les astronautes reçoivent des sachets spéciaux contenant du thé et du sucre. Ils doivent ajouter de l'eau chaude et bien secouer le sachet pour dissoudre le sucre et mélanger le thé. Comment Frank va-t-il savoir si son thé est sucré ?
Réponse :
Frank goûte son thé et il est doux. Dans l’espace, le sucre se dissout donc bien dans l'eau.
