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Les cristaux d’eau au service de l’analyse de l’eau ?

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Le Projet

La molécule d’eau H20

L’eau est la molécule la plus importante sur Terre et pour notre vie.
Elle couvre 70% de la planète et 70% de notre corps.
Ses particularités chimiques et physiques ont toujours beaucoup intrigué les hommes.

Molécule d’eau

Caractéristiques physico-chimique :
- Indice de réfraction : n=1,33
- Densité : Liquide d=1
Glace d=0,97
- Viscosité : u = 1.10-2 Po (pour T=20°C)
u = 0,3.10-2 Po (pour T=100°C)
- Coefficient de dilatation : a = 2,57. 10-4 °C-1
- Compressibilité : c= 4,57 Pa-1
- Chaleur spécifique : Cv =4,18. 10-3 J.kg-1. °C-1
- Tension superficielle : g = 7,3. 10-2 N.m-1 (pour T= 20°C)
- Constante diélectrique : e = 88,5°
- Chaleur massique = 4,186 J.kg-1.K-1
- Point critique : 374,22°C ; 22091,4kPa
- Point triple : 0,01°C ; 0,6101kPa

La masse volumique et la viscosité diminuent avec l’augmentation de température. La température du point d’ébullition diminue avec en altitude.
Le moment dipolaire confère à l’eau des propriétés de solvant doux pour toutes autres molécules polaires telles que les alcools, acides et sels. En revanche les molécules non polaires comme les graisses forment une autre phase lors de leur contact avec l’eau.

Cristallisation : vers le solide...

Lorsque la matière passe à l’état solide elle peut prendre deux voies distinctes celle de la cristallisation ou de « l’amorphie »

La cristallisation désigne le processus donnant une forme ordonnée à la matière suivant un motif précis : la maille, répétée de manière périodique.
Tout comme les roches qui suivant le type de refroidissement qu’elles subissent seront plus ou moins cristallisé, l’eau formera de la glace amorphe ou des cristaux.
Dans les conditions normale de Pression (1 bar) et température (0°C), l’eau cristallise suivant un système hexagonal (voir cubique dans des conditions instables de T< -80°C), c’est ce système qui requiert le moins d’énergie pour maintenir une structure solide stable.

Structure hexagonale de la glace d’eau

Cette structure est visible dans les flocons de neige, qui sont des cristaux uniques de glace.
Ces cristaux se forment dans les nuages par condensation des molécules d’eau autour d’une impureté ou d’une molécule d’eau s’étant spontanément solidifiée. Leur formes reflètent les conditions Température/Pression/ Sursaturation en humidité régnant dans le nuage au moment de leur création. Ainsi de gros cristaux en dendrites sont crée à des températures comprises entre -20°C et -10°C et une sursaturation en humidité maximale alors que des cristaux en colonne apparaissent à des températures relativement « chaudes » de -10°C à -5°C et une sursaturation faible.
Ces cristaux ont été classifié en sept familles dès 1930 par le japonais Nakaya et regroupe maintenant 80 types de cristaux. [1]

Un état de transition : les « water clusters »

Au niveau d’une interface ou au moment du passage d’une phase à une autre, ils existent des anomalies de densité de l’eau qui sont expliqués depuis peu par le concept des « water clusters » ou agrégats d’eau.
Ce sont des groupements d’eau notés (H20)n avec n>2 molécules d’eau, ce nombre d’H20 est fonction du taux d’humidité, de la pression et de la température.
Ils sont utilisés pour étudier la liaison hydrogène, car suivant le nombre de molécule présents, l’énergie de stabilité varie notablement. Ces agrégats se regroupent jusqu’à donner des dodécaèdres puis des icosaèdres.

Ces groupements d’eau participent au refroidissement global en se fixant sur les aérosols pour réfléchir les radiations solaires vers l’espace (cf étude de Hamilton collège de Juillet 2007). De même ils absorbent les radiations infrarouges dans l’atmosphère.
De plus ils participent à la solubilité de certains ions Na+ ou I- par exemple dans les solutions et au niveau des membranes dans les cellules.

Méthode de fabrication des flocons

En toute simplicité
Matériel :
1 bouteille de plastique
3 pots
1 éponge
Fil de nylon
4 aiguilles de couture
Carton pour couvrir
Neige carbonique

Protocole :
1. Rincer la bouteille. Couper le fond comme indiquer sur la figure.
Faire un trou au fond pour passer le fil et 4 sur les cotés pour faire tenir l’éponge
Couper l’éponge aux bonnes dimensions.
2. Passer le fil par le fond de la bouteille à l’aide d’une aiguille et lui faire traverser l’éponge.
3. Placer la bouteille tête en bas dans le dernier des 3 pots, il doit y avoir un pouce entre le rebord du pot et le fond de la bouteille.
4. Remplir le dernier pot de neige carbonique concassée à -60°C.
5. Mouiller l’éponge et la mettre dans le fond de la bouteille.
6. Couvrir avec le carton

Résultat :
De petits cristaux devraient se former entre 5 et 10 minutes plus tard. Un cristal plus grand après 20 minutes.
Si la température reste sous les -15°C, vous obtiendrez des dendrites si elle tend vers les -5°C, les cristaux prendront la forme de fishbones.

Schéma d’un cristal de type dendrite
Schéma d’un cristal de type fishbone

Principe de la chambre à convection :

C’est une boite dont l’intérieur est isolée de l’environnement extérieur, maintenant un gradient de température de -40°C en bas à + 40°C au sommet.
Une source d’eau se trouve au sommet et la vapeur est ensuite diffusée vers le bas produisant un air sursaturé, un brouillard dense où la pression de la vapeur d’eau est proche de la vapeur de saturation de l’eau.
Au centre se forme donc une colonne d’air froid sursaturé où la cristallisation de l’eau peut avoir lieu à partir de T< -40°C.

Plusieurs types de croissance de cristaux peuvent alors être observés :

Croissance par chute libre : formation des flocons lors de la descente dans la chambre de la vapeur. On obtient des flocons de 10 à 100 mm

Croissance sur filament : fil suspendu dans la chambre où vont se développer de grands cristaux. Nakaya en 1930 utilisait un poil de lapin. Amélioration de Mason.

Croissance sur un substrat : Problème de la perturbation dû au substrat, qui doit être extrêmement propre afin d’éviter la cristallisation autour de celui-ci.

Croissance par lévitation électrodynamique :

L’appareil est constitué d’une balance électrodynamique placé dans une chambre de convection où peut être contrôlée la température.
La lévitation est assurée par deux électrodes. On peut observer la croissance ou la sublimation des cristaux entre 0°C et -30°C.

Croissance sur des aiguilles de glace :

La croissance du cristal est commencée sur l’aiguille dans la chambre puis est amplifié lors de l’application d’une tension de 2000V sur l’aiguille. L’avantage de cette méthode est de pousser la croissance du cristal jusqu’à la fin.

En perspective :

L’objectif de l’étude était de cerner le rôle que pourrait avoir les cristaux d’eau dans l’analyse de l’eau. Naissant essentiellement dans les nuages, ils nous renseignent donc sur les conditions physico-chimiques régnant dans le nuage. Pourraient-ils en faire de même pour de l’eau liquide que nous ferions cristalliser artificiellement ?
En considérant l’état de transition que représentent les clusters, quelle est leur influence sur la formation des cristaux de glace ?
Les chercheurs étudiant les flocons savent qu’une impureté peut affecter la croissance du cristal mais ne savent pas encore comment et dans quelles proportions.
Des expérimentations de changement de nature de la phase vapeur (autre que de l’eau ou de ses dérivés car la vapeur qui va se condenser sera nécessairement des molécules d’eau !) pourraient-être menées. Si cristallisation se passe : quelles formes prend-t-elle, sous quelles conditions ?
Avec une étude comparative avec les cristaux de glace, comment en tirer des informations sur la nature de l’eau.

Bibliographie :

Libbrecht’s K : Guide to Snowflakes Ed Voyageur Press 2006
Arnaud P : Chimie Physique Ed Dunod 2002
Caron J.M : Comprendre et enseigner la planète Terre Ed Ophrys 2003

www.geophys.washington.edu/Surface/...
www.snowcrystals.com
www.cnrs/chimie
www.apesa.fr/conv_hydro%20(2).html
www.0disease.com/0platinicsolid_res...

Notes:

[1U. Nakaya, “Snow Crystals : Natural and Artificial”, Harvard University Press (1954)

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