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Structure de la glace

La molécule d'eau ($ H_2O$) peut faire 4 liens tétrahédraux d'approximativement $ 109.5^o$ entre eux: 2 liens covalents (O-H) avec les atomes d'hydrogène de la molécule et 2 ponts hydrogène (O$ \cdots$H) avec les atomes d'hydrogène de molécules voisines. En tout, il existe 9 sortes d'arragements de la glace en fonction de la température et de la pression (diagramme de phase: voir [1], p.61) mais, aux conditions qui nous intéressent la structure stable de la glace est hexagonale et est nommée Ih. Bien que les atomes d'oxygène de la molécule d'eau aient un emplacement régulier dans la structure hexagonale, les atomes d'hydrogène eux sont placés de façon aléatoire. Il existe un modèle statistique de Pauling pour la position des protons ce sont les 4 regles de la glace de Bernal-Fowler ([1], p.26):

Figure 3: Structure hexagonale de la glace (glace Ih)
\includegraphics[height=2in]{iceIh.eps}

La distance entre deux oxygènes dans le réseau hexagonal est de 2,76 $ \dot{A}$ et la longueur entre un oxygène et un hydrogène dans une molécule d'eau est de 1.011 $ \dot{A}$ soit environ le double du rayon de Bohr. La valeur énergétique des ponts hydrogènes O$ \cdots$H dans la glace Ih est de 0.58 eV ([1], p.38-39). Les paramètres du réseau pour la structure Ih de la glace sont ([10], p.322-323):

L'eau a une propriété inhabituelle d'être plus dense à la phase liquide qu'elle ne l'est sous forme de glace en d'autres mots, la droite de coexistence de la phase solide et liquide pour l'eau possède une pente négative alors qu'elle est généralement positive pour les autres éléments. Cela permet la vie des organismes aquatiques en hiver car le fond du cours d'eau est généralement à $ 4^o$ C alors qu'il y a une couche de glace à la surface. En fait, la densité de la glace à $ 0^o$ C est de $ 916$ kg/m$ ^3$ ([1], p.346) alors que l'eau atteint un sommet de densité de $ 1000.0$ kg/m$ ^3$ à $ 4^o$ C. La masse d'une molécule d'eau est $ 2.992 \cdot 10^{-26}$ kg ([1], p.2).

Figure 4: Diagramme de phase pour l'eau
\includegraphics[height=3in]{h2ophase.eps}

On comprend aussi que les gouttelettes et vapeur d'eau ne peuvent exister dans un régime stable avec les cristaux de glace dans le nuage puisque le point triple de l'eau (coexistence des 3 phases) se situe à une pression de $ 0.61$ kPa alors que la pression à l'altitude des nuages (disons 8 km comme le sommet de l'Everest) est d'environ $ 35$ kPa. Etant donné qu'il est possible de maintenir une substance dans son état gazeux à des conditions où elle devrait être solide, les vapeurs d'eau se trouvent dans un état métastable et il suffit parfois d'un choc pour que la particule retrouve son état le plus stable.

La chaleur latente ( $ L = T(S_{final}-S_{initial})$$ T$ est la température à la transition et $ S$ l'entropie pour chaque phase) pour une transition solide/liquide de l'eau est de $ 3.336 \cdot 10^5$ J/kg et pour une transition solide/gaz $ 2.838 \cdot 10^6$ J/kg ([1], p.351 et 362).



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