Les différents états de l’eau et leurs propriétés.

Eau solide

L’eau, en se solidifiant, peut être amorphe ou cristallisée régulièrement. La forme cristalline de l’eau solide est celle d’un prisme hexaèdre de 120°, ou celle d’un dodécaèdre isocèle. Ces cristaux possèdent la double réfraction et appartiennent au système rhomboédrique.

D’après Scoresby et Dufrenoy, la neige affecte souvent la forme d’étoiles à six rayons, chaque rayon étant un prisme régulier à six faces ; parfois, même le centre de l’étoile est occupé par une petite lame hexagonale brillante, et les rayons de l’étoile divergent de chacun de ses angles.

En passant de l’état liquide à l’état solide, l’eau augmente de volume. Sa densité devient 0,916 ou 0,918 d’après M. Brunner, celle de l’eau à + 4 °C étant 1,000.

Cette augmentation de volume qu’éprouve l’eau en se solidifiant explique :

1. Pourquoi la glace se maintient constamment à la surface des eaux tranquilles,
2. Pourquoi l’eau contenue dans le tissu cellulaire des plantes ou des fruits, qui se solidifie par une forte gelée, détermine par son augmentation de volume la rupture des vaisseaux capillaires, fait périr les végétaux en peu de temps et devient la cause de la décomposition rapide des fruits gelés,
3. Pourquoi les fontaines et les carafes remplies d’eau se brisent souvent pendant les froids de l’hiver, quand l’eau qu’elles contiennent se solidifie : les tuyaux de conduite des eaux qui ne sont pas profondément enfouis dans la terre se rompent également lorsque l’eau qui les traverse vient à geler,
4. Pourquoi les pierres qu’on appelle gélices, qui peuvent condenser une quantité d’eau considérable, se brisent en hiver par suite de la dilatation qu’éprouve en se congelant l’eau contenue dans leurs pores,
5. Pourquoi l’eau, en se solidifiant, entraîne quelquefois la rupture des métaux et des alliages les plus résistants.

C’est ainsi qu’on peut briser des canons de fusil, et même des canons de bronze, en les remplissant d’eau et en les exposant, après les avoir hermétiquement fermés, à une température qui détermine la solidification de l’eau qu’ils contiennent.

La glace, pendant sa fusion, conserve une température constante que l’on prend pour point de départ des thermomètres, et qui sert à fixer le zéro de leur échelle. Le point où l’eau se congèle, présentant souvent de grandes variations, n’est pas adopté pour la fixation du zéro des thermomètres. Quand l’eau n’est pas agitée, on peut, selon Gay-Lussac, abaisser sa température jusqu’à -42° sans la solidifier ; si on l’agite, elle se congèle aussitôt et l’on observe un dégagement de chaleur qui fait remonter rapidement sa température à zéro.

La congélation de l’eau présente donc deux phénomènes remarquables : un dégagement de chaleur et une augmentation de volume.

L’eau qui contient des sels en dissolution se congèle plus lentement que l’eau pure. Lorsqu’une dissolution saline éprouve une congélation partielle, c’est l’eau pure qui se solidifie en premier lieu, tandis que les sels restent dans l’eau mère. Cette propriété a été appliquée à la concentration de certaines eaux salées.

La glace en fondant absorbe une quantité de chaleur considérable. La quantité de chaleur qu’un poids déterminé de glace à zéro exige pour changer d’état est égale à celle qui suffirait pour porter le même poids d’eau liquide de 0 à 79° ainsi que l’ont prouvé les expériences de Provostoye et Desains. Aussi, lorsqu’on mélange des poids égaux de neige à 0° et d’eau à 79°, le mélange entre en fusion et la température reste à 0°.

Eau liquide

L’eau est inodore, insipide, incolore, mais prise en masses considérables, elle présente une teinte verdâtre. Lorsqu’on soumet à l’action de la chaleur l’eau prise à zéro, son volume diminue jusqu’à + 4°, puis augmente de façon constante jusqu’à la température de son ébullition.

À 8 °C, le volume de l’eau est à peu près le même qu’à 0°. Son maximum de densité est à 4°, d’après Despretz.

L’eau, considérée comme dissolvant, intéresse à la fois les arts, l’industrie et l’analyse chimique. Aussi range-t-on en première ligne parmi les différentes propriétés d’un corps, son degré de solubilité ou d’insolubilité dans l’eau.

Eau à l’état de vapeur

Le point d’ébullition d’un liquide est toujours le même sous la même pression. L’eau entre en ébullition à une température invariable, qui sert à fixer le centième de degré de l’échelle thermométrique.

L’eau, à 100 °C, en se réduisant en vapeur, augmente environ 1700 fois son volume.

La température de l’ébullition de l’eau varie avec la pression. En enfermant l’eau dans une enveloppe suffisamment résistante, on peut porter l’eau à une température très élevée et l’empêcher de bouillir. Cette expérience s’exécute dans un appareil que l’on nomme marmite de Papin.

Cagniard-Matour a renfermé de l’eau dans des tubes de verre très épais, purgés d’air et fermés à la lampe. En portant ces tubes au rouge naissant, il s’est assuré que l’eau peut se réduire en vapeur dans un espace qui n’est que quatre fois plus grand que son propre volume.

La vapeur aqueuse est inodore, incolore, transparente ; sa densité est de 0,662.

L’eau, comme tous les corps volatils, émet des vapeurs aux températures les plus basses. Cette évaporation augmente avec la température.

La vapeur d’eau soumise au refroidissement se condense et passe à l’état d’eau liquide. Cette condensation se produit dans l’air atmosphérique lorsqu’il contient une quantité de vapeur plus grande que celle qu’il peut conserver à l’état de saturation. C’est ainsi que se forment la rosée, la gelée blanche, le brouillard, la pluie ou la neige. La vapeur d’eau condensée dans l’atmosphère prend le nom de brouillard quand elle est à la surface de la Terre, et de nuage quand elle est suspendue à une certaine hauteur dans l’atmosphère. La vapeur, en se condensant dans l’air, forme de petites sphérules qui constituent la vapeur sous forme vésiculaire.

L’eau, pour se transformer complètement en un fluide élastique, exige environ cinq fois et demie plus de chaleur que pour s’échauffer de 0 à 100°. On s’est servi de ce principe dans les usines, pour porter à l’ébullition de grandes masses d’eau placées dans des vases de bois, qui seraient altérés par l’action directe du feu. Dans le cas où la vapeur en se condensant peut être nuisible, on la fait circuler dans un double fond ou dans des tuyaux qui plongent dans le liquide qu’il s’agit d’échauffer.

Propriétés chimiques de l’eau

L’eau n’exerce aucune action sur les réactifs colorés. Elle est indécomposable par la chaleur. Plusieurs corps simples la décomposent : les uns, comme le chlore, se combinent avec son hydrogène et laissent dégager son oxygène ; les autres, comme le potassium, le fer, etc.,s’emparent de son oxygène en laissant l’hydrogène se dégager.

L’eau se combine avec un grand nombre de corps en proportions définies, et forme des composés qui ont reçu le nom d’hydrate.

En s’unissant aux acides, aux bases et aux sels, l’eau ne modifie pas, en général, leurs caractères distinctifs ; aussi étudie-t-on ordinairement les propriétés de ces corps dans leurs hydrates.

Toutefois, dans quelques cas, l’eau qui s’unit aux acides, aux bases, aux sels, détermine des modifications importantes dans leurs propriétés.

La plupart des corps n’éprouvent pas de décomposition en se dissolvant dans l’eau ; mais il existe un certain nombre de sels, tels que l’azotate de bismuth, le stéarate de potasse, etc., qui, dans leur contact avec l’eau, se séparent en deux parties, dont l’une, insoluble, se précipite, et l’autre, soluble, reste en dissolution dans l’eau.

Chevreul a particulièrement attiré l’attention des chimistes sur cet ordre de phénomènes.