La molécule d'eau a des propriétés très particulières sans lesquelles la vie n'existerait sans doute pas, du moins sous la forme qu'on lui connaît. Quelles sont ces propriétés « miracle » ?

Une température de fusion et une température d'ébullition raisonnables

L'eau reste à l'état liquide dans une plage de température relativement étendue : de 0°C à 100°C. Ce n'est pas le cas des autres composés les plus abondants dans l'Univers. La température de fusion de l'ammoniac (NH₃) est de -77,7° C, sa température d'ébullition de -33,3° C. Pour le méthane (CH₄) ces températures sont respectivement de -182,5° C et -161,5° C. Les plages correspondantes sont nettement plus étroites et les températures plus faibles. Or, une plage étendue garantit le maintien de l'eau à l'état liquide malgré de fortes amplitudes thermiques. Les océans jouant le rôle de régulateur thermique, c'est un facteur clef pour le développement de la vie. Une température d'ébullition trop basse pourrait d'ailleurs s'avérer rédhibitoire : cela signifierait que l'eau ne pourrait se maintenir à l'état liquide qu'à une distance plus grande du Soleil... D'où un ensoleillement moindre (et on sait qu'il joue un rôle déterminant dans la photosynthèse) et des réactions chimiques bien plus lente (un handicap pour le métabolisme).

La masse volumique de la glace

La masse volumique de la glace est inférieure à celle de l'eau à l'état liquide. La glace flotte ! Lorsque la température de l'air descend en dessous de zéro, l'eau gèle en surface et la glace ne coule pas. Il se forme au contraire une couche de glace qui isole l'eau qui se trouve en dessous du froid ambiant. Celle-ci reste à une température voisine de zéro. Si la glace était plus dense que l'eau liquide, les rivières et les lacs gèleraient en profondeur. Or, on suppose que la vie à commencé à se développer dans l'eau. Si toutes les étendues d'eau étaient prises dans les glaces (lors des périodes glaciaires par exemple), elle n'aurait sans doute pas pu dépasser le stade de microorganismes peu différenciés.

Le cycle de l'eau

La vapeur d'eau est plus légère que l'air. L'air humide s'élève et forme des nuages en se refroidissant. Le vent les emporte et les précipitations arrosent la terre ferme et les reliefs.

Les propriétés de solvant de l'eau

L'eau est un solvant pour certains composés organiques et pas pour d'autres. Cette propriété joue un rôle déterminant dans la formation des cellules et dans leur métabolisme. La dissolution du dioxyde de carbone par l'eau a également joué un rôle important pour séquestrer le CO₂ abondant dans l'atmosphère pendant les premières centaines de millions d'années.

Je vous propose un voyage dans un verre d'eau pour essayer de comprendre l'origine de ces propriétés tout à fait exceptionnelles.

La molécule d'eau

La molécule d'eau est constituée d'un atome d'oxygène, de masse molaire égale à 16 g, et de deux atomes d'hydrogène, de masse molaire égale à 1 g. La masse molaire de la molécule d'eau vaut donc 18 g. Elle est notablement inférieure à la masse molaire moyenne de l'air (29 g). L'air est en effet composé principalement de diazote (N₂, 28 g) et de dioxygène (O₂, 32 g). Cette propriété de l'eau joue un rôle déterminant dans le régime hydrographique et celui des précipitations. L'eau qui s'évapore à la surface des océans humidifie l'air. L'air humide est plus léger que l'air sec du fait de sa teneur en vapeur d'eau. Il s'élève et se refroidit : la température diminue d'un degré tous les 150 m. La condensation partielle de l'humidité forme des nuages qui sont transportés au loin par les vents dominants. Ces nuages donnent des précipitations qui arrosent les reliefs. L'eau de pluie (ou la neige fondue) s'infiltre dans le sol et alimente les sources. L'eau des rivières draine alluvions et sédiments, participant ainsi à la fertilité des sols, avant de rejoindre l'océan.

La boucle est bouclée... tout cela grâce à la faible masse molaire de la molécule d'eau !

Oxygène et hydrogène...

Revenons à nos moutons. Un atome d'oxygène pour deux atomes d'hydrogène : H₂O. L'oxygène est le troisième élément le plus abondant dans l'Univers après l'hydrogène et l'hélium. Son numéro atomique est 8. Il comporte donc 8 électrons. Ceux-ci sont répartis de la manière suivante : deux électrons occupent la couche 1s (voir le post sur les électrons), deux la sous-couche 2s et quatre la sous-couche 2p. Parmi ces derniers, deux sont non appariés (ils sont seuls sur leur orbitale). Ceci permet à l'oxygène de nouer deux liaisons covalentes (voir le post sur la liaison covalente).

L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'Univers. Il n'a qu'un seul électron sur sa couche 1s. Dans la molécule H₂O, les deux atomes d'hydrogène mettent en commun leur électron avec les deux électrons non appariés de l'oxygène pour former deux liaisons covalentes simples. Les orbitales 2p sont orthogonales entre elles, on pourrait s'attendre à ce que la chaîne H-O-H soit à angle droit mais la répulsion coulombienne écarte les deux branches. L'angle résultant vaut 104,5 degrés.

Répulsion coulombienne ? N'y a-t-il pas neutralité électrique des atomes au sein de la molécule ? Pas tout à fait. L'oxygène a un potentiel électronégatif très fort et il « tire la couverture électronique » vers lui. De ce fait, la molécule d'eau présente un moment dipolaire. L'atome d'oxygène porte une charge négative et les atomes d'hydrogène une demi-charge positive.

Signalons enfin que l'atome d'oxygène comporte deux doublets électroniques non liants (les électrons appariés de la sous-couche 2s et ceux de l'orbitale de la sous-couche 2p non impliquée dans les liaisons covalentes). Ces doublets participent au caractère électronégatif de l'atome d'oxygène.

Liaison hydrogène

Présence d'atomes d'hydrogène porteurs d'une charge positive, existence de doublets non liants : la molécule d'eau peut nouer des liaisons hydrogène avec d'autres molécules d'eau. Et elle ne s'en prive pas !

La liaison hydrogène est une liaison directionnelle de nature principalement électrostatique. Elle s'établit entre un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène, d'azote ou de fluor, ces trois éléments étant connus pour avoir un fort potentiel électronégatif. L'énergie de liaison d'un pont hydrogène est moins élevée que dans le cas d'une liaison covalente mais plus fort que celle des liaisons électrostatiques classiques. En termes savants, on caractérise cette liaison en disant qu'elle relie une molécule « donneuse » et une molécules « accepteuse » :

• la molécule donneuse est un composé possédant un atome d'hydrogène porteur d'une charge positive (qui peut être partielle),
• la molécule accepteuse comporte un atome porteur d'un doublet non liant.

La molécule d'eau répond à des deux critères.

Cette liaison est directionnelle : la direction est imposée par la forme de la molécule. Elle s'établit dans l'eau à l'état liquide et à l'état solide. C'est la liaison hydrogène qui structure les cristaux de glace et cette structure, relativement aérée, qui fait que la densité de la glace est plus faible que celle de l'eau liquide. Le caractère directionnel de cette liaison impose aux cristaux de glace une forme particulière qui va à l'encontre de leur compacité. En contrepartie, l'énergie de cette liaison permet à la glace de rester à l'état solide à une température plus élevée que le méthane et l'ammoniac qui ont pourtant des masses molaires voisines (18 g pour l'eau, 17 pour l'ammoniac et 16 pour le méthane). Pour le méthane, la raison en est évidente. Du fait de se nature tétraédrique (avec le carbone au centre), la molécule est strictement apolaire. Le méthane à l'état solide forme des cristaux moléculaires dont les éléments sont faiblement liés entre eux. Pour l'ammoniac c'est plus subtil. L'ammoniac et une molécule polaire mais son moment dipolaire est plus faible que celui de l'eau. La position de l'atome d'azote oscille entre « les sommets des deux pyramides »qu'il peut former avec les trois atomes d'hydrogène : celui du dessus et celui du dessous. Ce moment plus faible rend moins solide les liaisons au sein du cristal d'ammoniac à l'état solide.

Les ponts hydrogène jouent également un rôle dans l'eau liquide. Ils créent une certaine forme « d'adhérence » entre les molécules. Une molécule d'eau ne se déplace jamais seule... Ces liaisons hydrogène « alourdissant » les molécules d'eau et entravent le passage à l'état gazeux. La liaison hydrogène nous permet donc de faire d'une pierre deux coups et d'expliquer la plage de température dans laquelle l'eau reste à l'état liquide et la légèreté de la masse volumique de la glace.

Les propriétés de solvant de l'eau

Le caractère dipolaire de la molécule d'eau lui confère d'excellentes propriétés de solvant. L'eau dissocie facilement les cristaux ioniques comme le chlorure de sodium (NaCl). Les cristaux ioniques sont des cristaux formés de molécules composées d'un cation (un ion positif) et d'un anion (un ion positif) de charge opposée. (Dans la vie courante on les appelle tout simplement des sels.)

Mais plus généralement l'eau dissout les composés chimiques polaires, c'est-à-dire présentant eux aussi un moment dipolaire. Ce moment leur permet de créer des liaisons hydrogène avec l'eau. On dit de ces composés qu'ils sont hydrophiles. Des molécules organiques comme les amines et les alcools sont hydrophiles. Les cétones (un groupe carbonyle -C=O) le sont également.

Les composés apolaires (dépourvu de moment polaire) sont hydrophobes. Ils repoussent l'eau, n'ayant pas la possibilité de créer une liaison hydrogène ni même une liaison électrostatique simple avec elle. Les alcanes (hydrocarbures saturés : méthane, éthane, propane...) sont hydrophobes.

Nota : hydrophile, hydrophobe... Pour qu'une substance chimique se dissolve dans l'eau, il faut qu'elle forme un composé avec la molécule d'eau. Si les molécules de la substance et la molécule d'eau restent dissociées, la gravité finira par les séparer. La formation de ponts hydrogène entre molécules d'eau et substance polaire (la solvatation) empêche le processus de dissociation de se produire et permet ainsi la dissolution de cette substance.

Certains composés organiques complexes sont amphiphiles : ils comportent un groupe fonctionnel hydrophile et un groupe hydrophobe (généralement une longue chaîne carbonée). En présence d'eau, ces composés ont des propriétés tensioactives : ils créent une interface séparant le milieu aqueux (dans lequel peuvent être dissous des composés hydrophiles) du milieu non aqueux. La partie hydrophile de ces composés est tournée vers le milieu aqueux, la partie hydrophobe formant quant à elle une sorte de membrane. Cette membrane peut se refermer sur elle-même, formant ainsi une petite enveloppe plus ou moins perméable. Les composés amphiphiles jouent donc un rôle essentiel dans la chimie du vivant ! La paroi des cellules vivantes est composée de composés amphiphiles.

Les composés amphiphiles permettent par ailleurs de mélanger dans la même solution aqueuse des molécules hydrophiles (des ions par exemple) et des groupes fonctionnels hydrophobes, ce qui rend possible des réactions autrement difficilement concevables. Encore un atout pour la chimie du vivant.

Nota : le savon est le plus connu des composés amphiphiles. Ses propriétés tensioactives sont à la base des bulles de savon, de très fines membranes emprisonnant une mince couche d'eau.

Eau, acides et bases

Un acide dissous dans l'eau libère des ions hydronium H₃O⁺ :

Une base dissoute dans l'eau libère des ions hydroxyde OH^- :

L'ion hydronium et l'ion hydroxyde sont à la base de la plupart des propriétés des acides et des bases. A l'état naturel, l'eau comporte une petite dose de ces ions. Elle est produite par autoprotolyse de l'eau :

Dans l'eau « pure », il y a équilibre entre les concentrations de ces deux ions.

L'inverse du logarithme en base 10 de la concentration en ions hydronium caractérise l'acidité d'une solution (pH de cette solution). Le pH de l'eau pure est donc égal à 7. Un pH inférieur à 7 indique qu'il y a plus d'ions hydronium que d'ions hydroxyde. La solution est acide. A l'opposé, un pH supérieur à 7 indique que la solution est basique.

Les réactions acido-basiques sont à la base d'une multitude de réactions dans notre environnement.

H₂O et CO₂

La molécule de dioxyde de carbone est constituée d'un atome de carbone qui entretient deux doubles liaisons covalentes avec des atomes d'oxygène (O=C=O). C'est une molécule très stable. Fort heureusement pour nous, le CO₂ est soluble dans l'eau :

La molécule H₂CO₃ est un acide, l'acide carbonique. L'acide carbonique qui est à l'origine de certaines pluies acides. La présence d'acide carbonique dans l'eau se traduit par un équilibre entre acide, ion hydrogénocarbonate et ion carbonate :

La présence de silicates en suspension dans l'eau favorise elle aussi la production d'ions hydrogénocarbonates :

(Cette réaction est valable pour tout type de silicates comportant des atomes de calcium.)

La dissolution du dioxyde de carbone dans l'eau joue un rôle important dans le cycle du carbone. L'eau des océans s'évapore, augmentant le taux d'humidité dans l'air. Le CO₂ présent dans l'atmosphère se dissout dans les gouttes d'eau en suspension. (Du CO₂ est également dissous directement dans l'eau à la surface des océans.) Les pluies acides créent un ruissellement qui favorise la formation d'ions hydrogénocarbonates et de silice. L'eau chargée d'ions hydrogénocarbonates (et dans une moindre mesure d'ions carbonates) ainsi que d'ions calcium rejoint les océans.

Que deviennent ces ions ? Il y a trois possibilités de recyclage de ces ions.

La première : les ions calcium Ca⁺⁺ précipitent avec des ions hydrogénocarbonates et carbonates :

Le carbonate de calcium CaCO₃ sédimente au fond de l'océan. Au cours des premières dizaines (voire centaines) de millions d'années, cette sédimentation a conduit à une séquestration massive de CO₂ dont la teneur a chuté de manière drastique dans l'atmosphère.

La seconde : les ions Ca⁺⁺ et HCO₃^- sont absorbés par les organismes marins pour secréter leur squelette et leur coquille. Lorsqu'ils meurent, squelettes et coquilles rejoignent le fond de l'océan et sédimentent à leur tour. Ce mode de séquestration du CO₂ est, de nos jours, largement prépondérant par rapport au mode abiotique décrit ci-dessus.

La troisième, l'augmentation de la concentration en acide carbonique dans l'eau entraîne la libération de CO₂ qui s'évapore à la surface des océans :

C'est la réaction inverse de celle qui conduit à la dissolution du CO₂ dans l'eau.

Terminus, tout le monde descend...

C'est la fin de notre voyage dans un verre d'eau. Comme on le voit, les propriétés de l'eau ont joué et continuent de jouer un rôle déterminant dans la chimie du vivant. Aucun autre composé chimique connu ne rassemble autant de propriétés favorisant le développement de la vie. Mais d'où vient l'eau ? Etait-elle contenue dans les astéroïdes qui ont formé la proto-terre ? A-t-elle été apportée ultérieurement par des comètes lors d'un épisode de bombardement tardif ? A-t-elle une origine double ? La question n'est pas tranchée. Une meilleure connaissance de la composition isotopique de l'eau contenue dans les comètes permettra de valider ou d'invalider la deuxième hypothèse. Une chose est sûre, la Terre s'est formée en deçà de la ligne des glaces. Contrairement à ce qui s'est passé pour les planètes gazeuses (et leurs satellites) elle n'a pas pu accréter de grandes quantités d'eau sous forme de glace.

Une autre conclusion s'impose : la Terre a eu beaucoup de chance de conserver son eau. Au cours des premières centaines de millions d'années, la planète Mars possédait beaucoup d'eau à l'état liquide. Mais Mars n'a pas pu garder son atmosphère. En l'absence de champ magnétique, les vents solaires l'en ont progressivement dépouillé. La pression a alors chuté sous un seuil qui ne permettait plus à l'eau de rester à l'état liquide. Elle s'est évaporée. La photodissociation des molécules d'eau en altitude a fait le reste. Les atomes d'hydrogène se sont échappés dans l'espace. Leur faible masse leur ont permis d'acquérir rapidement une vitesse supérieure à la vitesse de libération du fait des UV et des collisions avec les particules du vent solaire. L'eau liquide a disparu de la surface de Mars.

Vénus a connu un sort différent mais qui a abouti au même résultat. Vénus est la soeur jumelle de la Terre mais elle n'est qu'à 0,7 UA du Soleil. L'effet du rayonnement y est donc beaucoup plus important. L'atmosphère de Vénus était sans doute composée des mêmes ingrédients que l'atmosphère terrestre. Il y régnait donc un puissant effet de serre et la température ambiante était beaucoup plus élevée que sur Terre. Idem pour le taux d'humidité. On suppose que ces différences se traduisaient par des mouvements de convexion de grande ampleur qui faisaient monter la vapeur d'eau jusqu'à la limite de la troposphère. Là, les molécules d'eau ont été photodissociées par le rayonnement solaire et l'hydrogène a échappé à l'attraction vénusienne comme cela s'est passé sur Mars. Il s'en est suivi une perte continue en eau. L'atmosphère s'est asséchée. Le mécanisme de séquestration du CO₂ qui a bien fonctionné sur Terre a échoué sur Vénus. L'effet de serre s'est emballé et la température au sol a dépassé le point critique de l'eau (374° C). Les océans se sont évaporés omplètement...

L'eau est bien un composé miracle, dans tous les sens du terme.