Pourquoi l’eau prend-elle du volume en gelant ?

On l’a tous observé : des tuiles ou des pierres qui éclatent l’hiver, la bouteille bien pleine qu’on oublie au réfrigérateur…

L'eau possède une propriété unique dans la Nature : elle est moins dense à l'état solide qu'à l'état liquide, ce qui est l'inverse pour la plupart des substances connues. La densité (masse/volume) de la glace est de 0,9168 g/cm³, alors que celle de l'eau liquide est de 1 g/cm³. En conséquence, la glace flotte sur l'eau.

Cette remarquable propriété dépend de la « liaison hydrogène ». Une molécule d'eau est formée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène, d'où la formule H₂O. A l'intérieur de chaque molécule, l'atome d'oxygène - un élément fortement « électronégatif » - attire vers lui les électrons des deux atomes d'hydrogène. Pratiquement dépourvus de leurs électrons, les atomes d'hydrogène deviennent légèrement positifs, tandis que l'atome d'oxygène devient, lui, légèrement négatif. Une liaison hydrogène peut alors s'établir entre un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène d'une autre molécule.

Les liaisons hydrogène sont très faibles et ne jouent pas un très grand rôle dans l'eau à l'état liquide. Par contre, lorsque l'eau se transforme en glace, l'arrangement des molécules d'eau est fortement conditionnée par les liaisons hydrogène. Chaque molécule d'eau forme alors quatre liaisons hydrogène avec des molécules voisines. Chaque molécule se retrouve au centre d'un tétraèdre - une pyramide constituée de quatre triangles - dont les sommets sont occupés par quatre molécules d'eau. Il en résulte une structure relativement aérée où les molécules d'eau occupent plus de volume qu'à l'état liquide dont l'arrangement est fortement désordonné. Bref, il s'agit simplement d'une question de géométrie...

En plus de faire flotter la glace, la liaison hydrogène joue également un rôle important dans la structure des protéines, les matériaux de base des organismes vivants.

Alors, pouvez-vous expliquer pourquoi si je place un glaçon dans un verre plein à ras bord et que j'attends qu'il fonde, je ne verrai pas l'eau déborder du verre ? Faites l'expérience !

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