La molécule d'eau

1) La structure de la molécule d'eau

Schéma de la géométrie de la molécule d'eau :

Schéma : Dans ce schéma, les symboles " δ " correspondent à la dioptrie, qui est l'unité de la vergence. Bien qu'elle ne soit pas représentée sur ce schéma, la distance O-H est d'environ 2 Ångström soit 0,2 nanomètres (Attention cependant, cette valeur est une moyenne et peut évoluer en fonction de l'état de la molécule d'eau).

2) Liaison hydrogène et différents états de l'eau

Plusieurs milliards de molécules d'eau peuvent composer une simple goutte d'eau, qui sont reliées entre elles par leurs pôles, chargés électriquement. Ainsi, l'atome d'oxygène possède un pôle chargé négativement tandis que l'atome d'hydrogène possède un pôle chargé positivement.

Les atomes d'hydrogène permettent d'assurer les fameuses liaisons hydrogène. C'est grâce à ces dernières que les molécules d'eau peuvent être liées. C'est pouquoi nous pouvons dire que l'eau n'est pas un liquide comme les autres. En effet, lorsque vous regardez une goutte d'eau, vous assistez à une sorte d'immense réseau hyperconnecté qui n'arrête jamais de changer et qui peut se moduler plusieurs fois en un battement de cils. 

C'est ce qui fait qu'elle est unique : alors que ce réseau est très stable à l'intérieur de la molécule d'eau, on ne peut pas en dire autant avec les liaisons entre les molécules. Tout est ambigu : elles changent de modulation sans arrêt, elles peuvent se lier et se défaire à l'infini, ou encore elles peuvent être en même temps très espacées et très serrées. 

La liaison hydrogène reliant les deux atomes d'hydrogène est moins forte que les deux autres liaisons covalentes, ce qui n'empêche que sans elle, l'eau n'auraient pas des propriétés aussi incroyables.

À la manière de petits aimants, voici ce que font des molécules d'eau lorsqu'elles sont ensemble : aussi bien positifs que négatifs, leurs pôles électriques s'attirent entre eux et dans le même temps les molécules se rapprochent pour que tous les atomes d'hydrogène (qui sont positifs) d'une molécule d'eau se place près de des atomes d'oxygène (négatif) d'une molécule d'eau voisine.

Pour accentuer l'aspect unique de cette molécule, l'eau aura des propriétés différentes en fonction de son état qui peut être solide, liquide ou gazeux.

Voici une image représentant les trois états de l'eau :

A) L'état solide

Pour que l'eau soit à l'état solide, sa température doit être inférieure ou égale à 0°C. La structure cristalline est la disposition la plus répandue pour ce type d'état. À l'état solide, les molécules d'eau sont compactes et très serrées, elles ont donc une liberté de mouvement faible (voir l'image ci-dessus).

L'eau à l'état solide peut être retrouvée avec par exemple, de la neige (qui tombe sous forme de flocon pendant les périodes froides), de la glace (avec les glaçons par exemple) ou encore le givre (qui peut apparaître sur les pare-brises des voitures lorsqu'il y a du brouillard et qu'il fait froid).

B) L'état liquide

Pour que l'eau soit à l'état liquide, sa température doit être comprise entre 0 et 100°C. À l'état liquide, les molécules d'eau sont désordonnées mais aussi plus espacées (voir l'image ci-dessus), c'est pourquoi un litre d'eau liquide occupe un volume supérieur à un litre d'eau solide.

L'eau à l'état liquide peut être retrouvée avec par exemple, de la pluie (de simples gouttelettes d'eau), des nuages (des milliards de gouttelettes d'eau) ou encore du brouillard (des goutelettes d'eau en suspension dans l'air).

C) L'état gazeux

Pour que l'eau soit à l'état gazeux, sa température doit être supérieure à 100°C. Cependant, on peut aussi la retrouver à l'état de vapeur et à des températures bien inférieures (par exemple avec le processus d'évaporation). C'est avec l'état gazeux que l'on atteint l'apogée du désordonnement : les molécules d'eau sont tellement agitées que même l'attraction terrestre s'applique de façon moins forte sur elles. 

Ces différents états ont une énorme influence sur la façon dont va se dérouler la cuisson avec le four à micro-ondes. Ainsi, en fonction de l'état de la molécule d'eau présente dans la l'aliment, ce dernier chauffera différemment. Pour mettre ceci en évidence, nous avons décidé de réaliser l'expérience "du glaçon".

Voici la vidéo présentant l'expérience :

3) Polarité de la molécule d'eau

La molécule d'eau est une molécule polaire grâce à sa géométrie coudée. La répartition de ses charges positives et négatives est dissymétrique ce qui implique que les pôles négatif et positif ne sont pas confondus (or pour qu'une molécule soit apolaire, il faut que les barycentres des charges positives et négatives soient justement confondus). Le centre des charges négatives se trouve sur l'atome d'oxygène tandis que le centre des charges positives se trouve au milieu du segment qui sépare les atomes d'hydrogène. Les propriétés des atomes d'hydrogène et d'oxygène font que le nuage électronique de chaque liaison covalente O-H est déplacé vers l'atome d'oxygène.

On peut s'imaginer que l'atome d'oxygène acquiert une petite charge négative -2δe alors que les atomes d'hydrogène ont chacun une petite charge positive δe. On dit que chaque liaison O-H est une liaison polarisée.

Donc, quand la molécule d'eau est soumise à un champ électrique, elle va s'orienter dans le sens de ce champ.

La fréquence des fours à micro-ondes est d'environ 2,4GHz (la fréquence nécessaire pour pouvoir chauffer des aliments), soit (si on applique la formule décrite dans la partie précédente) une longueur d'onde dans le vide d'environ λ0= 12,2 cm.

Les oscillations que fait la molécule d'eau provoquent, grâce aux frottements engendrés par les atomes et les molécules qu'elle touche, un échauffement. La molécule d'eau va faire ces oscillations 2,5 milliards de fois en une seule seconde. Et c'est justement cet échauffement qui va par conséquent entraîner la cuisson de l'aliment.

Pour mettre en évidence la polarité de la molécule d'eau, nous avons réalisé l'expérience dite du "filet d'eau".

Voici la vidéo présentant l'expérience :

Vous n'arrivez toujours pas à voir l'utilité de la molécule d'eau dans la cuisson des aliments? C'est pourquoi nous avons réalisé l'expérience dite du "pain frais".

Voici la vidéo présentant l'expérience :

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