Eau: curiosités d'un liquide spécial
1987/10/01 Barrenetxea, Tere - Elhuyar Fundazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria
Molécule qui ne respecte pas la loi
L'eau est une combinaison d'un atome d'oxygène avec deux d'hydrogène: H 2 Ou, juste cela. Une formule très simple et connue, sans doute la première que nous avons appris. Comme il s'agit d'une molécule si simple, il semble que si vous voulez connaître quelque chose à ce sujet, il suffirait de prendre n'importe quel manuel de base sur la chimie et en tirer des conclusions. Sa structure ne suggère pas d'autres particularités.
La première chose qui a toujours été dit de l'eau est qu'il est un liquide à l'état pur, sans couleur, ni odeur, ni goût. Mais à partir de là, les propriétés sont très spéciales et grâce à cette particularité la vie sur notre planète.
Lorsque Celsius a inventé le thermomètre, il a été basé sur deux propriétés: la température d'ébullition de l'eau et la température de congélation. Le premier a coïncidé avec 100°C et le second avec 0°C. Il divisa l'espace en cent parties égales, chacune avec un degré. Ainsi est né le premier instrument pour mesurer la température. Celsius ne savait pas, cependant, que ces deux propriétés ne sont pas normales dans l'eau en termes de grandeur. Les scientifiques savent que le point d'ébullition d'un liquide concerne la taille de la molécule. Autrement dit, plus les molécules sont petites, plus le point d'ébullition est petit.
Cela suppose que l'eau, comparée à d'autres molécules de sa taille, a une température d'ébullition bien supérieure à celle qui correspondrait.
Ce point peut être analysé d'un autre point et la conclusion est similaire. On sait que les propriétés des composés dérivés d'éléments du même groupe du tableau périodique ne sont pas de quelque nature que ce soit, mais peuvent être prévisibles en fonction de leur position dans le tableau.
L'oxygène appartient au même groupe que le soufre, le sélénium, le tellure et le polonium et l'eau, l'hydrure d'oxygène, a la même formule que les hydrures des éléments de ce groupe: H 2 S, H 2 Se, H 2 Te, H 2 Po. La température d'ébullition de tous ces composés est connue et augmente régulièrement de l'hydrure de la suphère au polonium, qui est plus lourd.
Cependant, l'eau n'a pas tenu compte de cette régularité et a une température d'ébullition bien supérieure à celle correspondante. Grâce à cela, l'eau est liquide à des températures normales et non gazeuses, comme le reste des hydrures de cette famille.
Quelque chose de semblable se produit avec la température de congélation, qui est supérieure à celle des hydrures d'autres éléments du groupe, qui devrait être environ -100°C est de 0°C.
La torréfaction de l'eau contre les lois du système périodique rend l'état liquide et solide qui présente l'eau dans le sol anormal, car selon les lois devrait être dans un état gazeux.
Une autre non-normalité de l'eau est que la glace est plus légère que l'eau. C'est pourquoi les sommets de l'iceberg restent en dehors de l'année. L'expérience physique sur ce point est tout le contraire, car toutes les autres substances sont plus lourdes à l'état solide (elles ont une densité plus élevée) qu'à l'état liquide.
Ainsi, si un morceau de métal solide est déposé dans un métal fondu, il ne flottera jamais, il coule.
Les changements dans la densité de l'eau avec la température sont également spectaculaires. Toutes les substances se dilatent avec la chaleur et se contractent avec le froid. Mais l'eau ne se contente pas d'elle et a sa densité maximale à 4º C. Si vous continuez à refroidir sous cette température, contre ce que vous attendez, votre volume augmente jusqu'à ce que vous gèle. C'est pourquoi les bouteilles se cassent lorsque nous les oublions au réfrigérateur.
La bouteille en verre a un comportement normal, de sorte qu'il se contracte au fur et à mesure qu'il refroidit, mais l'eau doit toujours faire le contraire et en gelant augmente son volume. Et si nous n'allons pas vite, la conclusion est connue: la nécessité de mettre des morceaux de verre dans le réfrigérateur et une nouvelle bouteille rafraîchissant.
Une autre conséquence écologique et beaucoup plus importante de cette densité maximale est le gel superficiel à fond des rivières, des mers et des lacs. Ainsi, la couche superficielle de glace agit comme isolant et peut subsister sous les eaux glacées.
Après la pluie, l'eau qui est restée dans de petites bandes rocheuses est gelée, en raison de l'énorme pression générée par cette augmentation du volume de la glace, une rupture de la roche ou au moins la formation de fissures peuvent se produire.
Une autre caractéristique importante de l'eau est sa haute puissance calorifique, qui a également de grandes conséquences écologiques, comme le régulateur du temps.
Lorsque l'hiver nous envoie ses premiers froids temps, l'eau prend de la glace et de la neige, libérant la grande quantité de chaleur qu'il avait stocké. Ainsi, les jours froids d'hiver ne se sentent pas brusques, car la température ambiante refroidit plus lentement.
Et inversement, en fondant la glace et la neige, ils acquièrent beaucoup de chaleur de l'environnement et les jours chauds, nous les sentons plus lentement.
D'autre part, la présence de courants marins chauds (comme Gulf Stream) a également une grande importance dans la régulation du temps. Ce courant arrive des terres du temps tropical aux régions froides de l'Arctique et de l'Antarctique, où la chaleur se libère. La quantité de chaleur qui coule dans ce problème est vraiment incroyable. Regardons les chiffres:
La quantité d'énergie libérée par Gulf Stream en plein air est égale à celle générée par les rivières de 200 milliards de tonnes de charbon. Cette quantité de tonnes équivaut à environ 2/3 de la production annuelle de charbon. Autrement dit, la haute puissance calorifique de l'eau permet aux océans d'absorber l'énergie solaire et de la transformer en un énorme réservoir d'énergie. Comme nous l'avons dit, ces gigantesques masses d'eau se déplacent lentement vers des terres froides, libérant de l'énergie chaude et tempérant le temps pour éviter des changements drastiques.
Certes, nous nous sommes habitués à mille choses qui se produisent quotidiennement dans la nature et nous avons perdu la capacité de nous surprendre devant elles et la curiosité de trouver leur raison. Pouvez-vous jamais penser pourquoi il ya de la pluie formée par presque gouttes rondes? Cela est dû à une étrange propriété de l'eau.
Sauf pour certains métaux liquides, comme le mercure, et quelques sels fondus, la tension superficielle de l'eau est supérieure à celle de toute autre substance. La tension superficielle donne la mesure de la force qui provoque que l'eau ne se répand pas sur une surface et reste en forme de goutte, de même pour l'huile et l'essence.
Si la tension superficielle de l'eau était moindre, même avec le moindre vent, les eaux marines mouilleraient les terres côtières. De la même manière, nos précipitations et gabardines feraient peu si l'eau avait peu de tension superficielle, car elle passerait par le plus petit tronçon. Cependant, les quelques produits appelés tensoactifs réduisent facilement la tension superficielle de l'eau. En raison de cette propriété que les autres liquides n'ont pas, l'eau (sueur) peut monter d'environ 80 m ou plus dans des tubes capillaires très étroits d'arbres, situés en haut pour nourrir les feuilles.
L'utilisation de savon lavamanos a aussi sa raison, le savon est tensio-actif et si nous ne l'utilisons pas, en raison de la haute tension superficielle de l'eau, l'eau ne serait pas atteindre toutes les fentes, c'est à dire, nous ne serions pas bien tremper les mains.
Eau dans les processus de vie
À la lumière de toutes ces propriétés que nous avons étudiées, nous pouvons dire que l'eau n'est pas un liquide très courant. Et nous pouvons également assurer qu'il est difficile de trouver une propriété unique de l'eau qui peut être considérée comme normale. Ce comportement particulier a une grande importance dans de nombreux domaines de la science et de la technique, mais maintenant nous négligerons le rôle de l'eau dans la subsistance de la vie sur notre planète.
L'eau participe à presque toutes les réactions biochimiques. Voyons les voies du corps humain pour obtenir de l'énergie. Nous savons tous, entre autres, que nous nous nourrissons de glucides, qui sont la source d'énergie nécessaire à toutes les fonctions du corps. La réaction des hydrates de carbone dans la transformation de l'énergie est que la combustion du glucose, par l'oxygène, produit de l'eau et du dioxyde de carbone.
La quantité quotidienne d'eau dont le corps humain a besoin est d'environ 2,5 l. Cette eau est obtenue par la nourriture et la boisson, mais aussi par la réaction mentionnée ci-dessus. La quantité d'eau générée par personne et par jour par cette dernière voie est de 0,3 l. Ainsi, si les glucides et l'eau que nous consommons les personnes et les animaux ne sont pas renouvelés, ils seront bientôt épuisés. L'équilibre naturel est obtenu par les plantes, qui réagissent de la même façon mais dans le sens inverse avec l'énergie solaire. Autrement dit, les plantes synthétisent des glucides à partir de l'oxyde d'eau et de carbone (IV). Le règne végétal de cette opération simple nécessite 3 milliards de litres d'eau par jour.
La réaction étudiée nécessite 185 litres d'oxygène par personne et par jour. Comme l'oxygène dans l'air est seulement de 21% et l'efficacité des poumons humains est de 14%, nous respirons chaque jour 6300 l d'air. Ces chiffres n'ont aucun rapport avec notre sujet (l'eau), mais il nous a semblé opportun de nous référer à notre environnement et surtout à notre dépendance au travail des plantes.
Un autre aspect de l'implication de l'eau dans les processus de la vie est lié à sa capacité de solvant. C'est le moyen de transport de substances à travers des organismes vivants. Pour ce faire, l'eau doit briser les liens entre les atomes ou molécules du corps à l'état solide, en les séparant du corps de ces atomes ou molécules pour qu'ils restent dans l'eau. En raison de cette capacité, le sucre peut profiter de café au lait ou sel de cuisine pour saler la nourriture.
Une autre conséquence de la capacité de solvant de l'eau est qu'il peut agir comme base biochimique. Nous venons de voir la capacité de l'eau comme solvant à démonter la structure des corps et maintenant nous disons quelque chose qui semble contradictoire; qui a le rôle de base biochimique. Même s'il semble mensonger, il n'y a pas de contradictions, car ce sont des aspects de la même fonction. Quant au premier aspect, l'eau maintient en solution des substances simples comme le sucre ou le sel, mais dans le second, des substances complexes comme les enzymes aident à maintenir la structure.
Les enzymes sont des substances produites par la nature pour pouvoir conduire les réactions biochimiques nécessaires à la réalisation des fonctions du corps. Les enzymes sont des protéines, des molécules géantes formées par des acides aminés. Les enzymes, comme les colliers de perle, peuvent prendre de nombreuses formes (spatiales). Dans le cas des enzymes, cette disposition spatiale est de la plus haute importance, car pour remplir sa fonction doit être une disposition spatiale très précise et différente de toutes les autres enzymes.
Les scientifiques ne connaissent pas encore bien les forces qui rendent possible ces dispositions, mais il est sûr que pour cette fonction l'eau est nécessaire. Si pour une raison quelconque la composition de la solution aqueuse qui entoure l'enzyme est modifiée, celle-ci perd sa forme propre et, par conséquent, sa capacité à jouer son rôle.
Il n'est pas encore clair comment l'eau maintient la structure de la protéine en agissant comme base biochimique. Ce que l'on peut dire, c'est que les liaisons aide-protéines sont très faibles et sont très faciles à perurber.
Le rôle de la base biochimique ne se limite pas au domaine des enzymes. Il en va de même pour d'autres structures biologiques de base comme la double hélice de l'ADN.
À la lumière des deux aspects que nous avons vu, l'eau comme solvant et base biochimique, on peut penser que le rôle de l'eau dans la biologie est statique. Mais, bien sûr, ce n'est pas le cas: l'eau, en tant que fluide biologique, transporte les substances nécessaires à la vie (nourriture, oxygène) dans les lieux nécessaires et en même temps expulse les déchets générés par le métabolisme.
Pour voir ce comportement, nous allons donner quelques chiffres. Chaque battement cardiaque pompe 70 ml de sang. Compte tenu du fait qu'il effectue 70 pulsations par minute, nous avons effectué des opérations simples et obtenu que 7000 l de sang circule dans notre corps. D'autres organes, comme le rein, devraient également traiter de grandes quantités d'eau.
Nous avons vu que la présence de l'eau dans les êtres vivants est importante, mais pas tous les êtres vivants ont la même proportion d'eau. Toutes les formes de vie et tous les tissus d'un individu donné ont de l'eau, mais dans des proportions différentes. 60% du poids du corps humain est de l'eau et 99,5% de la méduse. Dans notre corps, le cerveau et les muscles sont ceux qui présentent une plus grande proportion d'eau et les os ceux qui moins. Il est connu que chaque cellule a besoin d'une quantité minimale d'eau pour son fonctionnement, mais on ne sait pas beaucoup sur les propriétés de l'eau dans la cellule.
Son statut, sa distribution, ses fonctions et ses obligations et ses mécanismes de contrôle de sortie et d'entrée restent inconnus. C'est pourquoi nous ne savons pas la cause des problèmes comme le suivant. Le problème est que lorsque les tissus sont congelés, 20% de leur eau ne se fige jamais, même à des températures très basses. Il semble y avoir des molécules d'eau qui sont protégées et cachées et qui ne peuvent occuper une place qui leur correspondrait dans le verre de glace. Cette eau apparaît non seulement dans les êtres vivants, mais aussi quelque chose comme dans les pores microscopiques des minéraux.
Et pour finir, nous allons voir comment s'adaptent certains animaux et plantes aquatiques pour vivre à l'intérieur.
La densité de l'eau par rapport à l'air est si élevée que tout corps dans l'eau est 800 fois plus léger que dans l'air. En conséquence, les plantes et les animaux qui vivent dans l'eau n'ont pas besoin d'un squelette aussi complexe que ceux qui habitent le sol. Mais tous ne sont pas des avantages. L'insolubilité de l'oxygène dans l'eau est limitée, de sorte que les personnes vivant dans le milieu aquatique ont des difficultés respiratoires et ont dû développer des systèmes respiratoires complexes.
Il est donc évident que vivre immergé dans l'eau a ses problèmes, mais ce ne sont pas moins ceux qui vivent dans des territoires avec pénurie d'eau. Les êtres vivants qui se sont adaptés à vivre dans ces milieux n'ont donc pas une moindre dépendance à l'eau. Au contraire, le prix qu'ils ont dû payer a été très cher, car ils ont dû développer des mécanismes très complexes pour conserver l'eau.
La majeure partie de l'eau présente sur notre planète n'est pas douce, mais salée, avec seulement 0,3% de l'eau douce disponible. La plupart de cette eau se trouve dans les pôles et l'autre source principale d'eau douce est la vapeur d'eau atmosphérique. La quantité d'eau qui s'évapore chaque année est estimée à 450.000 milliards de litres. Pour réaliser l'ampleur de cette quantité, pensez que si cette eau s'étendait uniformément sur notre planète, elle produirait une couche d'eau de 106 cm de hauteur. 75% de cette vapeur retourne dans les océans sous forme de pluie et une partie du reste le fait aussi à travers les rivières.
La quantité d'eau dans l'atmosphère est de seulement 12000 milliards de litres. Par conséquent, nous trouverons qu'en faisant une simple division, l'eau de l'atmosphère est recyclée 37 fois par an.
Il ne faut pas dire, mais nous allons dire, que comme la population augmente et la consommation d'eau par habitant, et la proportion des flèches d'eau de cette planète, qui est utile pour nous, n'est pas seulement un problème scientifique, mais aussi politique et économique.
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