Leçons de niveau 11

Données de physique utilisées en biologie/La molécule d’eau

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La molécule d’eau
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Chapitre no 1
Leçon : Données de physique utilisées en biologie
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La Vie est liée à l'eau d’abord parce qu'elle est apparue dans l'eau, ensuite parce que la proportion d'eau chez les êtres vivants est, sauf dans certaines parties, l'élément chimique le plus abondant en masse (de l’ordre des 2/3 en moyenne) et enfin parce que l'eau est le solvant de la Vie qui permet les transports et les échanges au sein des organismes. Cette importance de l'eau est due à ses propriétés physico-chimiques que nous allons commencer par évoquer.

Composition et structure[modifier | modifier le wikicode]

La molécule d'eau

L'eau est une espèce chimique constituée de deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène : sa formule chimique est

Début d’une formule chimique

H2O

Fin d’une formule chimique

.

Les hydrogènes sont liés à l'oxygène par des liaisons de covalence : chaque hydrogène a en commun deux électrons avec l'atome d'oxygène, ce qui sature l'orbitale de l'hydrogène avec deux électrons et la deuxième orbitale à 8 électrons (6 initiaux et un apporté par chacun des 2 hydrogènes) de l’oxygène.

L'angle entre les deux liaisons H-O est de 104°. La bissectrice de cet angle constitue un axe de symétrie bilatérale.

Bipolarité[modifier | modifier le wikicode]

La molécule d'eau bipolaire

L'électron apporté par chacun des hydrogènes se trouve sur une orbitale plus proche du noyau de l'oxygène et aussi plus éloigné du noyau d'hydrogène qu’il ne l'était dans l'hydrogène natif (atome d'hydrogène non lié). Ainsi, les charges électriques dans la molécule d'eau sont réparties de façon asymétrique : une légère surcharge négative apparaît du côté de l'oxygène, pôle négatif, alors qu'un déficit de charges négatives crée une légère surcharge positive du côté des hydrogènes, pôle positif.

L'eau est une molécule bipolaire.

Comme les zones positives et négatives s'attirent, les molécules d'eau peuvent se retrouver associées entre elles par des liaisons dites liaisons hydrogènes.

Sur chaque pôle d'une molécule d'eau peuvent se lier plusieurs molécules d'eau et au niveau des pôles opposés de ceux liés à la première molécule d'autres molécules d’eau pourront se lier. Il peut se former ainsi des liaisons hydrogènes dans tout le volume d'eau.

Cela donne à la surface de l'eau liquide une cohésion capable de supporter des charges : c’est la tension superficielle de l'eau.

Une plaque de plomb de grande surface par rapport à son épaisseur, déposée bien à plat et doucement à la surface de l'eau ne coule pas. Des animaux de petite taille et de faible masse peuvent se déplacer à la surface de l’eau en utilisant la tension superficielle de l'eau.

Effet mouillant[modifier | modifier le wikicode]

« Tout objet trempé dans l'eau en ressort mouillé. »

Si cette formule est souvent prise comme une évidence, il s’agit pourtant d’une expérience qui met en évidence l’effet mouillant de l’eau (comme pour tout liquide).

L'eau a la capacité de coller au support solide : cette adhésion est due à la pression atmosphérique et à la bipolarité de l'eau. La pression atmosphérique applique une première couche de molécules d'eau sur le support solide : cela correspond au cas des ventouses. Sur cette première couche, se lient par liaisons hydrogènes d'autres couches formant sur l’objet un film d'eau. La cohésion entre les molécules voisines est renforcée par la pression atmosphérique. L'épaisseur de ce film dépend du rapport entre les forces qui lient les molécules entre elles et du poids de l'eau du film. Dans un second temps, le film continu se fragmente en un certain nombre d'hémisphères d’eau. La forme prise est due à la pression atmosphérique qui s'applique à la surface de l'eau qui est identique en un point (ou une zone réduite) dans toutes les directions.

Pour décrocher l'eau du support, il faut agir mécaniquement avec une structure fixant l'eau de façon importante : structure absorbante comme un tissu ou un papier.

Illustration de la technique du transvasement lent, Écoulement lent le long d'un agitateur
Les tissus et les papiers sont des fibres entrelacées entre lesquelles de minuscules espaces existent. Dans chaque espace, l'eau va pouvoir adhérer sur les fibres de façon plus forte que sur une paroi lisse. Ainsi, lors d'un essuyage, le décrochage mécanique de l'eau s'accompagne d'une fixation de l'eau sur le torchon qui évite que l'eau revienne sur le support.

Un autre moyen d'enlever l'eau à la surface d'un solide est l'évaporation ou la vaporisation selon la quantité de chaleur fournie à l'eau.

Quand deux solides se frottent l'un contre l'autre, le frottement libère de l'énergie sous forme de chaleur. Si les deux solides ont leur surface de frottement mouillée, ce ne sont pas les solides qui frottent l'un contre l'autre mais de l'eau qui frotte contre de l'eau : le mouvement est alors facilité et le dégagement de chaleur est plus faible. L'effet mouillant lubrifie les surfaces en frottement.

Chacun a pu ressentir les effets de ce caractère lubrifiant de l'eau en marchant sur un carrelage mouillé.

Les huiles et les graisses sont de meilleures lubrifiants car d’une part leur adhérence (viscosité) est plus importante sur le support et d’autre part, parce que la température de vaporisation est plus forte que celle de l'eau : la chaleur dégagée par les frottements ne pourra pas facilement vaporiser ces huiles ou ces graisses.

Une technique pour verser un liquide utilise cette propriété. Elle consiste à faire couler le liquide à transvaser le long d'un agitateur (baguette de verre) incliné jusqu'à la surface réceptrice. Si l'agitateur est préalablement trempé dans le liquide à transvaser, il se recouvre d'une gaine de ce liquide par l'effet mouillant. Par la suite, le liquide en cours de transvasement glissera en rompant les liaisons entre des molécules du liquide tout en en créant de nouvelles avec des molécules situées plus bas : l'écoulement est alors ralenti. Lorsqu’il atteint la surface réceptrice, le liquide tend à s'étaler dans toutes les directions sur cette surface.

Le ménisque[modifier | modifier le wikicode]

« Les liquides dans un récipient montrent une surface supérieure plane et horizontale. »

Par contre, la surface supérieure des océans est une surface de calotte sphérique (ce que montre l'observation de l'horizon) : cela est dû à la gravité qui attire avec la même intensité les molécules d'eau de surface si on considère que le rayon terrestre est le même en tout point, mais selon des directions convergentes vers le centre de la Terre. Une surface liquide de petite dimension peut être considérée comme plane et horizontale mais en réalité c’est une infime partie d'une surface de calotte sphérique dont le rayon de courbure est infiniment grand par rapport à la surface.

Comme le rayon de la Terre n’est pas constant selon la latitude (la Terre est une pseudo sphère élargie au niveau équatorial ce qui revient à dire qu'elle présente un aplatissement polaire), comme le sous sol n’est pas homogène (la densité des matériaux pouvant varier), comme la croûte terrestre n'a pas la même épaisseur en toute zone, des phénomènes connexes d'attraction font que la surface océanique s'écarte plus ou moins de la surface théorique d'une calotte sphérique selon les zones. De plus, il faut considérer l'attraction de la Lune et celle du Soleil qui interviennent dans les marées voire des différences de pressions atmosphériques pour se donner une idée de la réalité des bosses et des creux qui éloigne la surface océanique de sa surface théorique.

Autour de la surface du liquide, contre la surface interne de la paroi du récipient, les liquides montrent une bordure où le niveau du liquide est, en général, supérieur (pour le mercure c’est l'inverse) : c’est le ménisque.

Il est bon de signaler, qu’il n'y a qu'un seul ménisque faisant tout le tour de la surface du liquide.

Le ménisque s'explique par l'effet mouillant d’une part et les attractions entre les molécules du liquide. Une molécule qui se colle contre la paroi n'exerce pas de pression (poids de la molécule) sur la surface du liquide ou, tout au moins, puisqu'elle a quand même tendance à glisser vers le bas, une pression moindre. Même chose pour les molécules, qui sont liées à celles qui sont au contact de la paroi sauf que leur poids exerce une pression un peu plus forte sur la surface. Comme plus elles sont écartées de la paroi plus leur poids s'applique à la surface, le niveau du liquide s'abaisse en fonction de la distance à la paroi. À une certaine distance on peut considérer que les molécules ne sont plus soumises aux phénomènes de paroi et qu’elles sont libres.

On distingue à la surface supérieure du liquide contenu dans un récipient :

  • un ménisque tout autour,
  • la surface libre du liquide qui, à petite échelle, est plane et horizontale.
Ménisque d'eau dans un récipient en verre vue d'un ménisque en position de lecture
Ménisque d'eau dans un récipient en verre Vue d'un ménisque en position de lecture

Dans les récipients de mesure (éprouvette graduée, pipette...) c’est le niveau de la surface libre qui compte pour la lecture des volumes ou des capacités occupées. Comme c’est la règle pour graduer les récipients, appliquée par les fabricants, elle doit être respectée par les utilisateurs. Il faut que l’œil soit mis dans le plan de la surface libre du liquide pour faire une lecture précise. L'erreur potentielle est d'autant plus grande que la surface libre du liquide est étendue donc que le récipient a une forte section : une erreur sur la hauteur est multipliée par la valeur de la surface libre pour la détermination du volume.

S'expliquent ainsi, les formes différentes des récipients de mesures dans la verrerie de laboratoire. Les éprouvettes sont des récipients cylindriques relativement hauts par rapport à leur section, mais leur hauteur étant importante, il devient nécessaire d'agrandir leur base pour améliorer leur stabilité. Les erlenmeyers et leur forme conique permettront des mesures plus précises qu'un bêcher cylindrique. Les pipettes sont graduées sur la colonne surmontant le réservoir dont la section est plus petite que celle du réservoir.

La capillarité[modifier | modifier le wikicode]

Illustration du niveau des surfaces libres dans un système de vases communicants
Illustration du niveau de liquide en fonction de la section des éléments d'un système de vases communicants

Dans les tubes de sections fines, il n'y a pas de surface libre du liquide : la section du tube est occupée entièrement par le ménisque (le rayon de la section du tube est inférieur à l'épaisseur de la base du ménisque). Au centre, le point le plus bas appartient au ménisque et est, donc, plus haut que le serait la surface libre. Dans cette petite cuvette supérieure de liquide pourront s'associer des molécules de liquide, en petit nombre, à celles de la surface interne du ménisque : la section du tube étant petite, elle favorise la cohésion entre les molécules puisqu'elle favorise la surface par rapport au volume donc les liaisons entre les molécules par rapport à leur poids. La cuvette étant remplie, des molécules peuvent alors se coller sur le support au dessus de l'ancien ménisque et, ainsi de suite, pour donner une ascension du liquide dans le tube de section fine. Comme, une molécule de liquide ne pourra s'élever que si une autre molécule de liquide prend sa place, il y a une ascension de tout le liquide dans le tube ce qui constitue une aspiration du liquide dans le tube : c’est l'effet buvard.

Les fibres du papier buvard constituent entre elles des systèmes de section faible qui entraînent ce type d'aspiration de liquide.

Les tubes de section fine qui montrent ce phénomène sont des capillaires (fins comme des cheveux).

Ce phénomène d'élévation du niveau du liquide dans un tube de section fine est la capillarité.

Dans des vases communicants, c'est-à-dire des récipients dont le contenu est en continuité par une liaison entre eux, le niveau des surfaces libres est le même dans chacune des parties. La pression atmosphérique qui s'applique aux surfaces libres est la même pour des vases ouverts (très proches l'un de l'autre) et les pressions hydrostatiques sont elles aussi les mêmes dans les deux récipients : il y a donc un état d'équilibre entre les vases. Comme la pression hydrostatique dépend de la hauteur de liquide dans le système, les niveaux des surfaces libres du liquide dans les différents récipients sera la même.

En ajoutant du liquide dans l'un des vases, on augmente la pression hydrostatique dans ce vase et cela va provoquer un écoulement d'une partie du liquide vers les autres vases jusqu'à obtenir un nouvel équilibre.

La hauteur de liquide qui intervient dans un récipient doit s'entendre comme une distance entre le niveau supérieur et le niveau du point de mesure de la pression et non pas comme la longueur de la cavité occupée : cela explique que le niveau de la surface libre reste le même quelle que soit l'inclinaison du récipient.

Dans un système de vases communicants avec des capillaires, on montre que la hauteur du liquide dans les différents capillaires est d'autant plus grande que leur section est fine.