Pourquoi la glace flotte-t-elle?
Alors, pourquoi la glace flotte-t-elle? L’explication la plus courante est la suivante: lorsque l’eau gèle, ses molécules se réarrangent pour former une structure cristalline qui laisse un espace supplémentaire entre celles-ci et rend la glace moins dense que l’eau liquide. Mais cette explication simplifie à l’extrême la vérité, explique le physicien John Russo, de l’université Sapienza en Italie. La véritable raison se trouve dans les propriétés uniques des ponts hydrogène entre les molécules d’eau. Dans la glace, ces ponts forment un réseau structuré et rigide qui maintient les molécules dans un arrangement très spécifique. Dans l’eau liquide, par contre, les ponts hydrogène peuvent se plier et se déformer sans se rompre. Cette flexibilité permet aux molécules d’eau de se rapprocher. «Si les ponts hydrogène étaient sensiblement plus rigides, l’eau liquide perdrait cette capacité de regroupement et deviendrait moins dense que la glace, un changement qui perturberait les écosystèmes, remodèlerait les climats et rendrait la Terre méconnaissable», explique John Russo. Pour illustrer ce phénomène, imaginez que l’on presse un cylindre rempli à la fois d’eau liquide et de glace. Selon la loi de Clausius-Clapeyron, un principe thermodynamique fondamental, l’application d’une pression favorise le déplacement du contenu vers la phase susceptible de regrouper plus étroitement les molécules. Pour la plupart des substances, cette phase est la phase solide, dont la structure est compacte et ordonnée avec un minimum d’espace vide. Comme des boulets de canon ou des oranges empilés, en les disposant de manière régulière et compacte, ils remplissent l’espace le plus efficacement possible, avec un minimum d’espaces vides. Ce principe s’applique généralement aux solides, où des arrangements fixes et structurés génèrent une densité maximale. Mais l’eau se comporte différemment. «L’eau n’est pas un liquide normal», explique John Russo. Elle fait partie de la catégorie des «liquides vides». La flexibilité du pont hydrogène et l’espace vide dans la structure liquide signifient qu’un arrangement désordonné permet aux molécules d’eau de s’empiler plus densément qu’elles ne le feraient dans le réseau structuré de la glace. Ainsi, sous l’effet de la pression, le contenu de notre mélange eau/glace deviendrait plus liquide. Les travaux de John Russo dans le cadre du projet SOFTWATER, financé par le Conseil européen de la recherche , ont révélé d’autres propriétés fascinantes qui rendent l’eau unique. John Russo et son équipe ont notamment développé des modèles informatiques des ponts hydrogène flexibles de l’eau, qui leur ont permis d’imaginer de nouvelles formes d’eau. L’eau est aussi mystérieuse qu’essentielle. La capacité de la glace à flotter sur l’eau contribue à façonner notre climat et permet à la vie aquatique de survivre sous les lacs et les océans gelés. Pensez-y la prochaine fois que vous remuerez les cubes qui flottent dans votre boisson. Cliquez ici pour en savoir plus sur les recherches de John Russo: Percer les secrets du caractère unique de l’eau
Mots‑clés
SOFTWATER, eau, glace, flotter, densité, thermodynamique, structure, mystérieux, océan, climat