Lorsque l’eau liquide se solidifie, celle-ci prend environ 10 % de volume supplémentaire. Il s’agit par ailleurs d’un cas plutôt rare dans la Nature. Pourquoi le volume de l’eau augmente-t-il en se changeant en glace ?
Une rareté dans la nature
En physique, un tel cas relève de l’anomalie dilatométrique, une propriété singulière du comportement de certains corps au niveau de leur densité. En effet, au lieu d’augmenter continuellement – notamment lors des changements d’état – pendant leur refroidissement, la densité diminue au contraire à partir d’une certaine température.
Ainsi, c’est justement ce qui se produit dans le cas de l’eau, lors de sa transformation en glace. En effet, la masse volumique de la glace est de 0,91 g/cm3, tandis que celle de l’eau liquide est de 1 g/cm3. Ceci explique notamment un phénomène bien connu : la glace flotte sur l’eau. Par ailleurs, seule une poignée de composés est également assujettie à cette anomalie : le gallium, le bismuth, le plutonium, l’antimoine, le silicium et le germanium. Les autres éléments ont généralement un volume plus réduit à l’état solide.
Comment cela est-il possible ?
Dans un de ses dossiers portant sur les propriétés de l’eau, le CNRS explique le pourquoi de cette variation de volume. Tout d’abord, rappelons que l’atome d’oxygène est chargé négativement et que les atomes d’hydrogène le sont positivement. La molécule d’eau est donc une molécule polarisée, et c’est cette forte polarité qui permet des liaisons hydrogènes.
Or, il faut savoir qu’il existe autant de liaisons hydrogène dans la glace que dans l’eau liquide. En revanche, ces liaisons ont une forme hexagonale dans la glace, mais cette dernière est tordue dans l’eau liquide (voir schéma ci-après). Ainsi lorsque la glace se forme, les molécules d’eau s’éloignent les unes des autres, s’arrêtent et se figent. La glace est donc moins dense que l’eau et donc, plus volumineuse en raison d’une distance légèrement supérieure séparant les molécules.
Cela se vérifie dans la vie de tous les jours, dans le cas d’une bouteille d’eau ou d’une canalisation qui gèle en hiver. Une même quantité d’eau occupera un plus grand volume en se changeant en glace. Logiquement, l’eau se dilate lors de sa transformation, ce qui fait éclater les bouteilles et canalisations. Ce n’est d’ailleurs pas sans raison qu’il est conseillé de ne pas remplir à ras bord le bac à glaçons à placer dans le congélateur !
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