L'eau se dilate lorsqu'elle est chauffée. Lorsque l'eau refroidit, elle se contracte ou se dilate

Le physicien japonais Masakazu Matsumoto a avancé une théorie expliquant pourquoi l'eau se contracte au lieu de se dilater lorsqu'elle est chauffée entre 0 et 4°C. Selon son modèle, l'eau contient des microformations - des «vitrites», qui sont des polyèdres creux convexes dont les sommets contiennent des molécules d'eau et dont les bords sont des liaisons hydrogène. À mesure que la température augmente, deux phénomènes entrent en compétition : l’allongement des liaisons hydrogène entre les molécules d’eau et la déformation des vitrites, entraînant une diminution de leurs cavités. Dans la plage de température de 0 à 3,98°C, ce dernier phénomène domine l'effet d'allongement des liaisons hydrogène, qui donne finalement la compression de l'eau observée. Il n’y a pas encore de confirmation expérimentale du modèle de Matsumoto – cependant, comme d’autres théories expliquant la compression de l’eau.

Contrairement à la grande majorité des substances, l'eau peut réduire son volume lorsqu'elle est chauffée (Fig. 1), c'est-à-dire qu'elle a un coefficient de dilatation thermique négatif. Cependant, nous ne parlons pas de toute la plage de température dans laquelle l'eau existe à l'état liquide, mais seulement d'une section étroite - de 0°C à environ 4°C. À des températures élevées, l’eau, comme d’autres substances, se dilate.

D'ailleurs, l'eau n'est pas la seule substance qui a la propriété de se contracter lorsque la température augmente (ou de se dilater lors du refroidissement). Le bismuth, le gallium, le silicium et l'antimoine peuvent également se targuer d'un comportement similaire. Cependant, en raison de sa structure interne plus complexe, ainsi que de sa prédominance et de son importance dans divers processus, c'est l'eau qui attire l'attention des scientifiques (voir L'étude de la structure de l'eau continue, « Éléments », 10/09/2006 ).

Il y a quelque temps, la théorie généralement acceptée répondant à la question de savoir pourquoi l'eau augmente de volume à mesure que la température diminue (Fig. 1) était le modèle d'un mélange de deux composants - « normal » et « semblable à de la glace ». Cette théorie a été proposée pour la première fois au XIXe siècle par Harold Whiting et a ensuite été développée et améliorée par de nombreux scientifiques. Relativement récemment, dans le cadre du polymorphisme découvert de l’eau, la théorie de Wieting a été repensée. On pense maintenant qu’il existe deux types de nanodomaines de type glace dans l’eau surfondue : les régions de type glace amorphe à haute densité et à faible densité. Le chauffage de l'eau surfondue entraîne la fusion de ces nanostructures et l'apparition de deux types d'eau : de densité plus élevée et plus faible. La compétition rusée de température entre les deux « qualités » de l’eau résultante donne lieu à une dépendance non monotone de la densité par rapport à la température. Cependant, cette théorie n’a pas encore été confirmée expérimentalement.

Il faut être prudent avec cette explication. Ce n'est pas un hasard si nous parlons ici uniquement de structures ressemblant à de la glace amorphe. Le fait est que les régions nanoscopiques de glace amorphe et ses analogues macroscopiques ont des paramètres physiques différents.

Le physicien japonais Masakazu Matsumoto a décidé de trouver une explication à l'effet discuté ici « à partir de zéro », rejetant la théorie d'un mélange à deux composants. À l'aide de simulations informatiques, il a étudié les propriétés physiques de l'eau sur une large plage de températures - de 200 à 360 K à pression nulle - pour comprendre à l'échelle moléculaire les véritables raisons de l'expansion de l'eau lorsqu'elle refroidit. Son article dans la revue Physical Review Letters s'intitule : Pourquoi l'eau se dilate-t-elle lorsqu'elle refroidit ? (« Pourquoi l'eau se dilate-t-elle lorsqu'elle refroidit ? »).

Dans un premier temps, l'auteur de l'article posait la question : qu'est-ce qui affecte le coefficient de dilatation thermique de l'eau ? Matsumoto estime que pour cela, il suffit de découvrir l'influence de seulement trois facteurs : 1) les changements dans la longueur des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau, 2) l'indice topologique - le nombre de liaisons par molécule d'eau, et 3) la déviation de la angle entre les liaisons par rapport à la valeur d'équilibre (distorsion angulaire).

Riz. 2. Il est « plus pratique » que les molécules d'eau s'unissent en amas avec un angle entre les liaisons hydrogène égal à 109,47 degrés. Cet angle est appelé tétraédrique car c'est l'angle reliant le centre d'un tétraèdre régulier et ses deux sommets. Photo de lsbu.ac.uk

Avant de parler des résultats obtenus par le physicien japonais, nous apporterons des commentaires et des éclaircissements importants concernant les trois facteurs ci-dessus. Tout d'abord, la formule chimique habituelle de l'eau, H 2 O, correspond uniquement à son état vapeur. Sous forme liquide, les molécules d'eau sont combinées par des liaisons hydrogène en groupes (H 2 O) x, où x est le nombre de molécules. La combinaison la plus énergétiquement favorable est celle de cinq molécules d'eau (x = 5) avec quatre liaisons hydrogène, dans lesquelles les liaisons forment un équilibre, appelé angle tétraédrique, égal à 109,47 degrés (voir Fig. 2).

Après avoir analysé la dépendance de la longueur de la liaison hydrogène entre les molécules d'eau sur la température, Matsumoto est arrivé à la conclusion attendue : une augmentation de la température donne lieu à un allongement linéaire des liaisons hydrogène. Et cela conduit à son tour à une augmentation du volume d’eau, c’est-à-dire à son expansion. Ce fait contredit les résultats observés, c'est pourquoi il a examiné plus en détail l'influence du deuxième facteur. Comment le coefficient de dilatation thermique dépend-il de l'indice topologique ?

La modélisation informatique a donné le résultat suivant. À basse température, le plus grand volume d'eau en pourcentage est occupé par des amas d'eau, qui ont 4 liaisons hydrogène par molécule (l'indice topologique est de 4). Une augmentation de la température entraîne une diminution du nombre d'associés d'indice 4, mais en même temps commence à augmenter le nombre de clusters d'indices 3 et 5. Après avoir effectué des calculs numériques, Matsumoto a découvert que le volume local des clusters d'indice topologique l'indice 4 ne change pratiquement pas avec l'augmentation de la température, et la variation du volume total des associés aux indices 3 et 5 à n'importe quelle température se compense mutuellement. Par conséquent, un changement de température ne modifie pas le volume total d’eau, et donc l’indice topologique n’a aucun effet sur la compression de l’eau lorsqu’elle est chauffée.

Il reste à clarifier l'effet de la distorsion angulaire des liaisons hydrogène. Et c’est là que commence le plus intéressant et le plus important. Comme mentionné ci-dessus, les molécules d’eau ont tendance à s’unir de telle sorte que l’angle entre les liaisons hydrogène est tétraédrique. Cependant, les vibrations thermiques des molécules d'eau et les interactions avec d'autres molécules non incluses dans l'amas les empêchent de le faire, déviant l'angle de la liaison hydrogène de la valeur d'équilibre de 109,47 degrés. Pour caractériser quantitativement ce processus de déformation angulaire, Matsumoto et ses collègues, sur la base de leurs travaux antérieurs Topological Building Blocks of Hydrogen Bond Networks in Water, publiés en 2007 dans le Journal of Chemical Physics, ont émis l'hypothèse de l'existence de microstructures tridimensionnelles dans l'eau qui ressemblent à des polyèdres creux convexes. Plus tard, dans des publications ultérieures, ils ont appelé ces microstructures vitrites (Fig. 3). Dans ceux-ci, les sommets sont des molécules d'eau, le rôle d'arêtes est joué par les liaisons hydrogène et l'angle entre les liaisons hydrogène est l'angle entre les arêtes dans la vitrite.

Selon la théorie de Matsumoto, il existe une grande variété de formes de vitrite qui, comme les éléments de la mosaïque, constituent la majorité de la structure de l'eau et qui en même temps remplissent uniformément tout son volume.

Riz. 3. Six vitrites typiques formant la structure interne de l'eau. Les boules correspondent aux molécules d'eau, les segments entre les boules indiquent des liaisons hydrogène. Les vitrites satisfont au célèbre théorème d'Euler pour les polyèdres : le nombre total de sommets et de faces moins le nombre d'arêtes est égal à 2. Cela signifie que les vitrites sont des polyèdres convexes. D'autres types de vitrite peuvent être consultés sur vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Riz. tiré d'un article de Masakazu Matsumoto, Akinori Baba et Iwao Ohminea Network Motif of Water, publié dans AIP Conf. Proc.

Les molécules d'eau ont tendance à créer des angles tétraédriques dans les vitrites, car les vitrites doivent avoir l'énergie la plus basse possible. Cependant, en raison des mouvements thermiques et des interactions locales avec d'autres vitrites, certaines microstructures ne présentent pas de géométries avec des angles tétraédriques (ou des angles proches de cette valeur). Ils acceptent de telles configurations structurellement hors d'équilibre (qui ne leur sont pas les plus favorables d'un point de vue énergétique), qui permettent à toute la « famille » des vitrites dans son ensemble d'obtenir la valeur énergétique la plus basse parmi celles possibles. De tels vitritis, c'est-à-dire ceux qui semblent se sacrifier aux « intérêts énergétiques communs », sont appelés frustrés. Si dans la vitrite non frustrée le volume de la cavité est maximum à une température donnée, alors la vitrite frustrée, au contraire, a le volume minimum possible.

La modélisation informatique réalisée par Matsumoto a montré que le volume moyen des cavités de vitrite diminue linéairement avec l'augmentation de la température. Dans ce cas, la vitrite frustrée réduit considérablement son volume, tandis que le volume de la cavité de la vitrite non frustrée reste quasiment inchangé.

Ainsi, la compression de l'eau avec l'augmentation de la température est provoquée par deux effets concurrents : l'allongement des liaisons hydrogène, qui entraîne une augmentation du volume d'eau, et une diminution du volume des cavités des vitrites frustrés. Dans la plage de température de 0 à 4°C, ce dernier phénomène, comme l'ont montré les calculs, prédomine, ce qui conduit finalement à la compression de l'eau observée lorsque la température augmente.

Reste à attendre la confirmation expérimentale de l'existence des vitrites et de leur comportement. Mais c’est, hélas, une tâche très difficile.

Nous sommes entourés d’eau, par elle-même, en tant que partie intégrante d’autres substances et corps. Elle peut être sous forme solide, liquide ou gazeuse, mais l’eau est toujours autour de nous. Pourquoi l'asphalte se fissure-t-il sur les routes, pourquoi un bocal en verre rempli d'eau éclate-t-il par temps froid, pourquoi les vitres s'embuent pendant la saison froide, pourquoi un avion laisse-t-il une traînée blanche dans le ciel - nous chercherons des réponses à tout cela et d'autres « pourquoi » dans cette leçon. Nous apprendrons comment les propriétés de l'eau changent lorsqu'elle est chauffée, refroidie et gelée, comment se forment des grottes souterraines et des figures bizarres, comment fonctionne un thermomètre.

Sujet : Nature inanimée

Leçon : Propriétés de l'eau liquide

Dans sa forme pure, l'eau n'a ni goût, ni odeur, ni couleur, mais ce n'est presque jamais le cas, car elle dissout activement la plupart des substances en elle-même et se combine avec leurs particules. L'eau peut également pénétrer dans divers corps (les scientifiques ont trouvé de l'eau même dans les pierres).

Si vous remplissez un verre d’eau du robinet, il paraîtra propre. Mais en fait, il s'agit d'une solution de nombreuses substances, parmi lesquelles se trouvent des gaz (oxygène, argon, azote, dioxyde de carbone), diverses impuretés contenues dans l'air, des sels dissous du sol, du fer provenant des conduites d'eau, de minuscules particules de poussière non dissoutes. , etc.

Si vous pipetez des gouttes d’eau du robinet sur du verre propre et laissez-la s’évaporer, des taches à peine visibles resteront.

L'eau des rivières et des ruisseaux ainsi que la plupart des lacs contiennent diverses impuretés, par exemple des sels dissous. Mais il y en a peu, car cette eau est fraîche.

L'eau coule sur terre et sous terre, remplit les ruisseaux, les lacs, les rivières, les mers et les océans, créant des palais souterrains.

En se frayant un chemin à travers des substances facilement solubles, l'eau pénètre profondément sous terre, les emportant avec elle, et à travers les fentes et les fissures des roches, formant des grottes souterraines, s'écoulant de leurs toits, créant d'étranges sculptures. Des milliards de gouttelettes d'eau s'évaporent sur des centaines d'années et des substances dissoutes dans l'eau (sels, calcaires) se déposent sur les arches des grottes, formant des glaçons de pierre appelés stalactites.

Des formations similaires au fond d’une grotte sont appelées stalagmites.

Et lorsqu’une stalactite et une stalagmite grandissent ensemble pour former une colonne de pierre, on parle de stalagnate.

En observant la dérive des glaces sur une rivière, nous voyons de l'eau à l'état solide (glace et neige), liquide (coulant en dessous) et gazeux (minuscules particules d'eau s'élevant dans l'air, également appelées vapeur d'eau).

L'eau peut être dans les trois états en même temps : il y a toujours de la vapeur d'eau dans l'air et des nuages, constitués de gouttelettes d'eau et de cristaux de glace.

La vapeur d'eau est invisible, mais elle peut être facilement détectée si vous laissez un verre d'eau réfrigéré au réfrigérateur pendant une heure dans une pièce chaude, des gouttelettes d'eau apparaîtront immédiatement sur les parois du verre. Au contact des parois froides du verre, la vapeur d'eau contenue dans l'air se transforme en gouttelettes d'eau et se dépose à la surface du verre.

Riz. 11. Condensation sur les parois d'un verre froid ()

Pour la même raison, l'intérieur de la vitre s'embue pendant la saison froide. L'air froid ne peut pas contenir autant de vapeur d'eau que l'air chaud, donc une partie se condense et se transforme en gouttelettes d'eau.

La traînée blanche derrière un avion volant dans le ciel est également le résultat de la condensation de l'eau.

Si vous portez un miroir à vos lèvres et expirez, de minuscules gouttelettes d'eau resteront à sa surface, cela prouve qu'en respirant, une personne inhale de la vapeur d'eau avec l'air.

Lorsque l’eau est chauffée, elle « se dilate ». Cela peut être prouvé par une expérience simple : un tube de verre a été plongé dans un flacon d'eau et le niveau d'eau qu'il contient a été mesuré ; Ensuite, le ballon a été descendu dans un récipient avec de l'eau tiède et, après avoir chauffé l'eau, le niveau dans le tube a été mesuré à nouveau, ce qui a augmenté sensiblement, car l'eau augmente de volume lorsqu'elle est chauffée.

Riz. 14. Une fiole avec un tube, le chiffre 1 et un trait indiquent le niveau d'eau initial

Riz. 15. Un ballon avec un tube, le chiffre 2 et un trait indique le niveau d'eau lorsqu'il est chauffé

Lorsque l’eau refroidit, elle se « compresse ». Cela peut être prouvé par une expérience similaire : dans ce cas, un ballon avec un tube a été descendu dans un récipient contenant de la glace ; après refroidissement, le niveau d'eau dans le tube a diminué par rapport à la marque d'origine, car l'eau a diminué de volume.

Riz. 16. Un flacon avec un tube, le chiffre 3 et un trait indique le niveau d'eau pendant le refroidissement

Cela se produit parce que les particules d'eau, les molécules, se déplacent plus rapidement lorsqu'elles sont chauffées, entrent en collision les unes avec les autres, sont repoussées des parois du récipient, la distance entre les molécules augmente et, par conséquent, le liquide occupe un volume plus grand. Lorsque l'eau refroidit, le mouvement de ses particules ralentit, la distance entre les molécules diminue et le liquide nécessite moins de volume.

Riz. 17. Molécules d'eau à température normale

Riz. 18. Molécules d'eau lorsqu'elles sont chauffées

Riz. 19. Molécules d'eau pendant le refroidissement

Non seulement l'eau, mais aussi d'autres liquides (alcool, mercure, essence, kérosène) possèdent de telles propriétés.

La connaissance de cette propriété des liquides a conduit à l'invention d'un thermomètre (thermomètre) utilisant de l'alcool ou du mercure.

Lorsque l'eau gèle, elle se dilate. Cela peut être prouvé si un récipient rempli d'eau à ras bord est légèrement recouvert d'un couvercle et placé au congélateur ; après un certain temps, nous verrons que la glace formée soulèvera le couvercle, dépassant le récipient.

Cette propriété est prise en compte lors de la pose des conduites d'eau, qui doivent être isolées afin qu'en cas de gel, la glace formée par l'eau ne rompe pas les conduites.

Dans la nature, l'eau gelée peut détruire les montagnes : si l'eau s'accumule dans les fissures des roches à l'automne, elle gèle en hiver, et sous la pression de la glace, qui occupe un volume plus important que l'eau à partir de laquelle elle s'est formée, les roches se fissurent et s'effondrent.

L'eau qui gèle dans les fissures des routes entraîne la destruction de la chaussée asphaltée.

Les longues crêtes ressemblant à des plis sur les troncs d'arbres sont des blessures causées par des ruptures de bois sous la pression de la sève des arbres qui y gèle. Par conséquent, pendant les hivers froids, vous pouvez entendre le crépitement des arbres dans un parc ou une forêt.

Vakhrouchev A.A., Danilov D.D. Le monde qui nous entoure 3. M. : Ballas.
Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Le monde qui nous entoure 3. M. : Maison d'édition Fedorov.
Pleshakov A.A. Le monde qui nous entoure 3. M. : Éducation.

Festival des idées pédagogiques ().
Science et éducation ().
Classe publique ().

Faites un petit test (4 questions avec trois options de réponse) sur le thème « L'eau qui nous entoure ».
Réalisez une petite expérience : placez un verre d’eau très froide sur une table dans une pièce chaude. Décrivez ce qui va se passer, expliquez pourquoi.
*Dessinez le mouvement des molécules d'eau dans un état chauffé, normal et refroidi. Si nécessaire, écrivez des légendes sur votre dessin.

Sujet : Nature inanimée

Leçon : Propriétés de l'eau liquide

Si vous pipetez des gouttes d’eau du robinet sur du verre propre et laissez-la s’évaporer, des taches à peine visibles resteront.

L'eau des rivières et des ruisseaux ainsi que la plupart des lacs contiennent diverses impuretés, par exemple des sels dissous. Mais il y en a peu, car cette eau est fraîche.

L'eau coule sur terre et sous terre, remplit les ruisseaux, les lacs, les rivières, les mers et les océans, créant des palais souterrains.

Des formations similaires au fond d’une grotte sont appelées stalagmites.

Et lorsqu’une stalactite et une stalagmite grandissent ensemble pour former une colonne de pierre, on parle de stalagnate.

L'eau peut être dans les trois états en même temps : il y a toujours de la vapeur d'eau dans l'air et des nuages, constitués de gouttelettes d'eau et de cristaux de glace.

Riz. 11. Condensation sur les parois d'un verre froid ()

La traînée blanche derrière un avion volant dans le ciel est également le résultat de la condensation de l'eau.

Si vous portez un miroir à vos lèvres et expirez, de minuscules gouttelettes d'eau resteront à sa surface, cela prouve qu'en respirant, une personne inhale de la vapeur d'eau avec l'air.

Riz. 14. Une fiole avec un tube, le chiffre 1 et un trait indiquent le niveau d'eau initial

Riz. 15. Un ballon avec un tube, le chiffre 2 et un trait indique le niveau d'eau lorsqu'il est chauffé

Riz. 16. Un flacon avec un tube, le chiffre 3 et un trait indique le niveau d'eau pendant le refroidissement

Riz. 17. Molécules d'eau à température normale

Riz. 18. Molécules d'eau lorsqu'elles sont chauffées

Riz. 19. Molécules d'eau pendant le refroidissement

Non seulement l'eau, mais aussi d'autres liquides (alcool, mercure, essence, kérosène) possèdent de telles propriétés.

La connaissance de cette propriété des liquides a conduit à l'invention d'un thermomètre (thermomètre) utilisant de l'alcool ou du mercure.

Cette propriété est prise en compte lors de la pose des conduites d'eau, qui doivent être isolées afin qu'en cas de gel, la glace formée par l'eau ne rompe pas les conduites.

L'eau qui gèle dans les fissures des routes entraîne la destruction de la chaussée asphaltée.

Vakhrouchev A.A., Danilov D.D. Le monde qui nous entoure 3. M. : Ballas.
Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Le monde qui nous entoure 3. M. : Maison d'édition Fedorov.
Pleshakov A.A. Le monde qui nous entoure 3. M. : Éducation.

Festival des idées pédagogiques ().
Science et éducation ().
Classe publique ().

Faites un petit test (4 questions avec trois options de réponse) sur le thème « L'eau qui nous entoure ».
Réalisez une petite expérience : placez un verre d’eau très froide sur une table dans une pièce chaude. Décrivez ce qui va se passer, expliquez pourquoi.
*Dessinez le mouvement des molécules d'eau dans un état chauffé, normal et refroidi. Si nécessaire, écrivez des légendes sur votre dessin.

L’eau possède des propriétés étonnantes qui la distinguent grandement des autres liquides. Mais c'est bien, sinon, si l'eau avait des propriétés « ordinaires », la planète Terre serait complètement différente.

La grande majorité des substances ont tendance à se dilater lorsqu’elles sont chauffées. Ce qui est assez facile à expliquer du point de vue de la théorie mécanique de la chaleur. Selon celui-ci, lorsqu'ils sont chauffés, les atomes et les molécules d'une substance commencent à se déplacer plus rapidement. Dans les solides, les vibrations atomiques atteignent de plus grandes amplitudes et nécessitent plus d’espace libre. En conséquence, le corps se dilate.

Le même processus se produit avec les liquides et les gaz. Autrement dit, en raison d'une augmentation de la température, la vitesse du mouvement thermique des molécules libres augmente et le corps se dilate. En conséquence, lors du refroidissement, le corps se contracte. Ceci est typique de presque toutes les substances. Sauf pour l'eau.

Lorsqu'elle est refroidie entre 0 et 4°C, l'eau se dilate. Et il rétrécit lorsqu'il est chauffé. Lorsque la température de l'eau atteint 4°C, l'eau a à ce moment une densité maximale égale à 1000 kg/m3. Si la température est inférieure ou supérieure à cette marque, la densité est toujours légèrement inférieure.

Grâce à cette propriété, lorsque la température de l'air baisse en automne et en hiver, un processus intéressant se produit dans les réservoirs profonds. Lorsque l'eau refroidit, elle descend plus bas, mais seulement jusqu'à ce que sa température atteigne +4°C. C’est pour cette raison que dans les grandes étendues d’eau, l’eau plus froide est plus proche de la surface et l’eau plus chaude coule au fond. Ainsi, lorsque la surface de l’eau gèle en hiver, les couches plus profondes continuent de maintenir une température de 4°C. Grâce à ce moment, les poissons peuvent hiverner en toute sécurité dans les profondeurs des réservoirs couverts de glace.

Impact de l’expansion de l’eau sur le climat

Les propriétés exceptionnelles de l'eau lorsqu'elle est chauffée influencent sérieusement le climat de la Terre, puisqu'environ 79 % de la surface de notre planète est recouverte d'eau. En raison des rayons du soleil, les couches supérieures sont chauffées, qui descendent ensuite plus bas, et des couches froides apparaissent à leur place. Ceux-ci, à leur tour, se réchauffent progressivement et descendent plus près du fond.

Ainsi, les couches d’eau changent continuellement, entraînant un chauffage uniforme jusqu’à atteindre la température correspondant à la densité maximale. Puis, à mesure qu'elles se réchauffent, les couches supérieures deviennent moins denses et ne s'enfoncent plus, mais restent en haut et se réchauffent simplement progressivement. Grâce à ce processus, d'immenses couches d'eau sont assez facilement chauffées par les rayons du soleil.

Le physicien japonais Masakazu Matsumoto a avancé une théorie expliquant pourquoi l'eau se contracte au lieu de se dilater lorsqu'elle est chauffée entre 0 et 4°C. Selon son modèle, l'eau contient des microformations - des «vitrites», qui sont des polyèdres creux convexes dont les sommets contiennent des molécules d'eau et dont les bords sont des liaisons hydrogène. À mesure que la température augmente, deux phénomènes entrent en compétition : l’allongement des liaisons hydrogène entre les molécules d’eau et la déformation des vitrites, entraînant une diminution de leurs cavités. Dans la plage de température de 0 à 3,98°C, ce dernier phénomène domine l'effet d'allongement des liaisons hydrogène, qui donne finalement la compression de l'eau observée. Il n’existe pas encore de confirmation expérimentale du modèle de Matsumoto, ni d’autres théories expliquant la compression de l’eau.

Contrairement à la grande majorité des substances, l'eau peut réduire son volume lorsqu'elle est chauffée (Fig. 1), c'est-à-dire qu'elle a un coefficient de dilatation thermique négatif. Cependant, nous ne parlons pas de toute la plage de température dans laquelle l'eau existe à l'état liquide, mais seulement d'une section étroite - de 0°C à environ 4°C. Avec B ÔÀ des températures plus élevées, l’eau, comme d’autres substances, se dilate.

Le physicien japonais Masakazu Matsumoto a décidé de trouver une explication à l'effet discuté ici « à partir de zéro », rejetant la théorie d'un mélange à deux composants. À l'aide de simulations informatiques, il a examiné les propriétés physiques de l'eau sur une large plage de températures - de 200 à 360 K à pression nulle - pour comprendre à l'échelle moléculaire les véritables raisons de l'expansion de l'eau lorsqu'elle refroidit. Son article dans le magazine Lettres d'examen physiqueça s'appelle : Pourquoi l'eau se dilate-t-elle lorsqu'elle refroidit ? (« Pourquoi l'eau se dilate-t-elle lorsqu'elle refroidit ? »).

Avant de parler des résultats obtenus par le physicien japonais, nous apporterons des commentaires et des éclaircissements importants concernant les trois facteurs ci-dessus. Tout d'abord, la formule chimique habituelle de l'eau, H 2 O, correspond uniquement à son état vapeur. Sous forme liquide, les molécules d'eau sont combinées en groupes (H 2 O) par liaison hydrogène. X, Où X- nombre de molécules. La combinaison la plus énergétiquement favorable de cinq molécules d’eau ( X= 5) avec quatre liaisons hydrogène, dans lesquelles les liaisons se forment équilibre, soi-disant angle tétraédrique, égal à 109,47 degrés (voir Fig. 2).

Il reste à clarifier l'effet de la distorsion angulaire des liaisons hydrogène. Et c’est là que commence le plus intéressant et le plus important. Comme mentionné ci-dessus, les molécules d’eau ont tendance à s’unir de telle sorte que l’angle entre les liaisons hydrogène est tétraédrique. Cependant, les vibrations thermiques des molécules d'eau et les interactions avec d'autres molécules non incluses dans l'amas les empêchent de le faire, déviant l'angle de la liaison hydrogène de la valeur d'équilibre de 109,47 degrés. Pour caractériser quantitativement ce processus de déformation angulaire, Matsumoto et ses collègues, en s'appuyant sur leurs travaux antérieurs Topological Building Blocks of Hydrogen Bond Networks in Water, publiés en 2007 dans Journal de physique chimique, ont émis l'hypothèse de l'existence de microstructures tridimensionnelles dans l'eau qui ressemblent à des polyèdres creux convexes. Plus tard, dans des publications ultérieures, ils ont appelé ces microstructures vitrines(Fig. 3). Dans ceux-ci, les sommets sont des molécules d'eau, le rôle d'arêtes est joué par les liaisons hydrogène et l'angle entre les liaisons hydrogène est l'angle entre les arêtes dans la vitrite.

Ainsi, la compression de l'eau avec l'augmentation de la température est provoquée par deux effets concurrents : l'allongement des liaisons hydrogène, qui entraîne une augmentation du volume d'eau, et une diminution du volume des cavités des vitrites frustrés. Dans la plage de température de 0 à 4°C, le dernier phénomène, comme l'ont montré les calculs, prévaut, ce qui conduit finalement à la compression observée de l'eau avec l'augmentation de la température.

Reste à attendre la confirmation expérimentale de l'existence des vitrites et de leur comportement. Mais c’est, hélas, une tâche très difficile.