Les propriétés physiques et chimiques de l'eau constituent un élément indispensable à la vie, et sont étroitement liées à la structure de la molécule d'eau, structure faisant de l'eau un solvant universel.
L’eau, abondante dans la nature, est une richesse qui est menacée actuellement par la pollution due à l'urbanisme et aux activités industrielles. Nous consommons de l'eau pour de nombreuses applications autres que la boisson, mais la chimie de l'eau nous est largement inconnue.
Dans ce résumé de cours, nous allons examiner les différentes façons dont l'eau est impliquée dans les contextes chimiques.
- Ce résumé de cours porte sur la chimie de l'eau.
- Tout d'abord nous allons définir la chimie de l'eau.
- Plus important encore, nous présenterons la signification et la définition de l'eau dans les réactions chimiques et son rôle dans les contextes chimiques.
- Nous explorerons la structure de l'eau lui confère des propriétés spécifiques, notamment en ce qui concerne son rôle de dipôle.
- Tu apprendras comment l'eau peut être impliquée dans différents types de réactions en se dissolvant ou en établissant des liaisons hydrogène avec des composés.
- Nous couvrirons la composition chimique de l'eau et comment elle contribue à lui donner ses propriétés.
- Nous présenterons des exemples et des formules de l'eau dans des contextes chimiques, ainsi que sa réaction avec le chlore.
- Nous aborderons la signification de l'eau dans les réactions chimiques.
- Nous verrons comment l'eau peut agir dans des réactions basées sur la liaison hydrogène et les mécanismes acide-base.
Qu'est-ce que la chimie de l'eau ?
Dans les réactions chimiques, l'eau peut agir de nombreuses façons. Elle peut notamment agir en tant que donneur ou accepteur de liaisons hydrogène, ainsi qu'en tant que donneur ou accepteur de protons \( (H^+) \) , ce qui lui permet de faciliter les réactions de nombreuses manières.
Plus important encore, l'eau agit comme un solvant dans de nombreuses réactions chimiques. Dans de nombreux contextes chimiques, la réaction chimique n'a pas lieu sans eau. Dans ce cas, l'eau permet à ces réactions de se dérouler.
L'eau en chimie
Nous allons examiner ici comment l'eau est capable de faciliter plusieurs types de réactions chimiques.
Plus important encore, grâce à ses capacités de solvant, elle permet le libre mouvement des ions et des composés, ce qui permet à de nombreuses réactions d'avoir lieu. Comme les ions ou les composés peuvent se déplacer librement à l'état dissous (comme lorsqu'ils sont dissous dans l'eau), il est plus facile pour les réactions chimiques de se produire, ce qui démontre une fois de plus la capacité de l'eau à faciliter les réactions chimiques.
Mais qu'est-ce que l'eau ? Et comment peut-elle contribuer aux réactions chimiques ?
Composition chimique de l'eau
Qu'est-ce que l'eau ?
La formule chimique de l'eau pure est : \( H_2O \) .
Cela signifie que c'est une molécule composée de deux atomes d'hydrogène, liés de manière covalente à un atome d'oxygène. Cela fonctionne dans le contexte de la liaison atomique, car l'oxygène a besoin de gagner deux électrons supplémentaires (l'état d'oxydation de l'oxygène étant \( (-2) \) ) qu'il obtient de deux hydrogènes, où chacun partage son électron (l'état d'oxydation de l'hydrogène étant \( (+1) \) ).
Modèle moléculaire de l'eau
En observant la géométrie moléculaire de l'eau, nous pouvons constater qu'elle est coudée. Tu peux le voir sur le schéma ci-dessus, mais pourquoi ?
Fig.1- La géométrie moléculaire coudée d'une molécule d'eau.
En regardant de plus près l'atome central, dans ce cas l'oxygène, nous pouvons utiliser la théorie VSEPR pour déterminer la forme de la molécule. Comme l'oxygène possède quatre domaines d'électrons (deux paires liées et deux paires solitaires), ils s'organisent selon une géométrie tétraédrique. Étant donné qu'il n'y a que deux liaisons, seules celles-ci seront visibles.
C'est cette forme qui confère à l'eau nombre de ses propriétés intéressantes.
À ton avis, quel est l'angle entre les liaisons d'une molécule d'eau ? Il est en fait de 104,45°, ce qui est inférieur à ce que l'on attend d'une molécule à géométrie tétraédrique (109,5°). Mais sais-tu pourquoi ?
La raison en est que tous les domaines électroniques ne se repoussent pas de la même manière. Les paires d'électrons isolés ont tendance à se repousser davantage que les paires d'électrons liés. Dans la molécule d'eau, il y a deux paires d'électrons solitaires sur l'atome d'oxygène, qui repoussent les hydrogènes liés. Les hydrogènes liés sont donc forcés de se rapprocher les uns des autres, ce qui rend l'angle entre eux plus petit que prévu.
Étant donné que l'eau est une molécule courbée et qu'il existe des différences d'électronégativité entre O et H, la molécule d'eau est en fait un dipôle.
Dipôle : une molécule qui a une extrémité chargée positivement et une autre négativement.
L'oxygène étant plus électronégatif que l'hydrogène, les électrons partagés dans les paires de liaisons, même s'ils sont partagés, seront plus fortement attirés par l'atome d'oxygène. Cela crée une charge négative partielle sur l'atome d'oxygène et, par la suite, une charge positive partielle sur les atomes d'hydrogène dans la molécule donnée. En mettant tout cela ensemble, nous pouvons voir comment la molécule d'eau devient un dipôle - ici en ayant une extrémité négative (l'atome d'oxygène) et une extrémité positive (les atomes d'hydrogène).
Cela permet également à l'eau de former des liaisons hydrogène entre elles. Comme tu peux le voir sur le schéma, les molécules d'eau interagissent entre elles grâce à ces charges partielles, qui confèrent à l'eau toutes ses propriétés physiques et chimiques.
N'oublie pas que la liaison hydrogène ne se produit que lorsqu'un atome d'hydrogène est lié à un atome d'oxygène (O), d'azote (N) ou de fluor (F). Les autres atomes ne présentent pas de liaison hydrogène.
Fig.2- Un diagramme montrant la forme moléculaire et l'angle d'une molécule d'eau avec des pôles partiels en A, et la liaison hydrogène de l'eau en B.
Mais pourquoi est-il important que l'eau soit un dipôle ? Puisque l'eau est un dipôle, c'est-à-dire une molécule polaire, elle peut permettre à de nombreuses réactions chimiques d'avoir lieu. Mais comment ?
Formule chimique de l'eau
Ensuite, nous allons voir comment l'eau agit de trois manières différentes dans les réactions chimiques. Il s'agit de la dissolution des composés ioniques, de la formation de liaisons hydrogène avec d'autres composés et de l'action dans les réactions acides/base.
1. Dissolution des composés ioniques
Tout d'abord, l'eau est un excellent solvant, car c'est une molécule qui possède un dipôle. Cela signifie que l'eau peut facilement dissoudre n'importe quel composé ionique, tel qu'un sel. Elle sépare la liaison ionique pour laisser deux ions - un positif et un négatif. Comme l'eau est un dipôle, elle peut protéger les ions de deux façons. Elle entoure le cation (l'ion positif) avec les atomes d'oxygène chargés négativement, et l'anion (l'ion chargé négativement) avec les hydrogènes. Cela permet une stabilité appropriée du composé ionique dans l'eau. Comme on le voit ci-dessous, c'est ce qui se produit.
$$ Sel(s) \space ionique(s) + H_2O \Rightarrow cation(s)^+ + anion(s)^+ +H_2O$$
2. Liaison hydrogène avec les composés
L'eau étant une molécule polaire, elle est également capable de dissoudre toute substance polaire. De manière similaire à l'exemple précédent des composés ioniques, les molécules d'eau s'arrangent de manière à protéger les parties spécifiques nécessaires d'une molécule polaire. Cela n'entraîne pas nécessairement la rupture des liaisons, comme dans l'exemple des sels ioniques, mais repose plutôt sur ses propriétés polaires et ses propriétés de liaison hydrogène.
L'eau peut interagir avec des substances capables de former des liaisons hydrogène pour les dissoudre, les rendant ainsi plus mobiles dans l'eau et permettant aux réactions d'avoir lieu. Elle peut agir à la fois comme accepteur et comme donneur de liaisons hydrogène. Dans ce cas, le composé en question restera le même et sera inchangé, mais sa dissolution fournira davantage de moyens pour que les réactions chimiques aient lieu.
$$ composé (solide) + H_2O \Rightarrow composé (dissous) + H_2O $$
3. Rôle de donneur/accepteur de protons
La dernière propriété clé de l'eau est sa capacité à être un donneur ou un accepteur de protons. Cela repose sur la capacité intrinsèque de l'eau à ajouter ou à séparer un hydrogène d'elle-même. Les réactions suivantes montrent cette capacité :
$$H_2 O \rightarrow H^+ + OH^-$$
$$ H_2O + H^+ \rightarrow H_3O^+$$
Lorsque cela se produit, soit un ion hydroxyde \( (OH^-) \) est formé, soit un ion hydronium \( (H_3O^+) \) est formé. Ici, l'ion hydrogène positif \( (H^+) \) est appelé proton, car il s'agit simplement d'un atome avec un proton, sans neutrons ni électrons.
Grâce à cette propriété de l'eau, de nombreuses réactions peuvent avoir lieu. La plus importante est la réaction acide-base, mais elle n'est pas limitée à cela. Cette propriété de l'eau est également utilisée dans de nombreuses réactions de synthèse organique et même dans la catalyse de certaines réactions.
Réactions chimiques de l'eau
Tout d'abord, la plus élémentaire des réactions peut être considérée comme la dissolution de sels solides dans l'eau. Voici l'exemple de la dissolution du sel de table commun \( (NaCl) \) , qui crée des ions aqueux.
$$NaCl_{(s)} + H_2O \rightarrow Na^+_{aq} +H_2O$$
De la même manière, l'eau peut également être utilisée pour dissoudre d'autres molécules liées de manière covalente, généralement plus grosses que les sels. Dans ce cas, le composé ne se sépare pas dans l'eau, mais il est tout de même dissous. Le glucose en est un exemple. Ce sucre formera des liaisons hydrogène avec les molécules d'eau et sera capable d'être dissous par l'eau environnante. Note que dans l'exemple ci-dessous, la composition du composé (le glucose dans cet exemple) ne passe pas de la forme solide à la forme aqueuse.
$$C_6H_{12}O_{6(s)} + H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_{6(aq)} + H_2O$$
Une autre réaction courante dans laquelle l'eau est impliquée est la réaction à médiation acide et basique. Comme nous l'avons vu précédemment, la capacité de l'eau à se diviser et à créer des ions hydroxyde ou hydronium est la réaction qui peut être utilisée par les réactions acides ou basiques. L'exemple ci-dessous montre comment l'acide chlorhydrique est capable de former un acide fort dans l'eau :
$$HCl_{(aq)} + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^-$$
De plus, la capacité de l'eau à accepter ou à donner des protons est un mécanisme clé dans les réactions organiques. Le tableau ci-dessous présente un exemple de la façon dont l'eau est utilisée dans les réactions organiques. Dans ce cas, il s'agit d'une addition d'eau à des alcènes, par un mécanisme catalysé par un acide. Tu n'es pas obligé de connaître cette réaction, mais si cela t'intéresse, jette un coup d'œil au rôle de l'eau dans le contexte de cette réaction chimique. Dans ce cas, l'eau est capable d'aider directement les réactions chimiques, en particulier les réactions organiques.
Fig.3- Un mécanisme catalyse par un acide pour l'addition de l'eau aux alcènes où l'eau peut agir comme un donneur de protons dans la réaction.
Réaction chimique du chlore dans l'eau
Que se passe-t-il lorsque l'on ajoute du chlore à l'eau ? Si tu effectues un simple test de lithium, il est évident que le pH diminue. Regarde l'équation ci-dessous qui justifie ce comportement.
$$Cl_2 +H_2O \rightarrow HOCl + HCl$$
Cette réaction est parfois appelée hydrolyse. Ses produits sont le \( HCl \) , qui est un acide fort, d'où la diminution du pH lors de l'ajout de chlore. Un autre produit est l'oxygène gazeux, donc si tu réalises cette expérience, tu remarqueras la formation de bulles de ce gaz.
Chimie de l'eau - Points clés
- L'eau sert de médiateur et facilite les réactions chimiques.
- Elle le fait en étant une molécule polaire (elle possède un dipôle).
- L'eau peut être impliquée dans la dissolution de composés ioniques et covalents.
- Elle peut être un accepteur ou un donneur de liaisons hydrogène, ainsi que de protons.
- L'eau peut même être utilisée dans les mécanismes de catalyse et d'hydrolyse (lorsque le chlore réagit avec l'eau).
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