Pourquoi l'eau prend-elle plus de place à l'état solide ?

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Pourquoi l'eau prend-elle plus de place à l'état solide ?

Pourquoi l'eau prend-elle plus de place à l'état solide qu'à l'état liquide?
Voilà la question que se pose mes élèves de CE1. Pourriez-vous m'indiquer un schéma explicatif correspondant à leur niveau de perception?

L'eau est un liquide bizarre, aux propriétés étranges, qui sont justement celles qui la rendent si fondamentale pour la vie. La différence entre l'état cristallisé de la glace et l'état désordonné de l'eau liquide tient au fait que dans le premier, les molécules d'eau, qui ressemblent à la tête de Mickey (un gros rond, l'oxygène, et deux larges oreilles, les hydrogènes) s'ordonnent dans l'espace de façon très contraignante, chaque oxygène d'une molécule devant être aligné avec la direction de la liaison oxygène-hydrogène de la molécule voisine. Essayez de construire cet empilement de têtes de Mickey en respectant cette contrainte, et vous verrez qu'il ne peut pas être compact. De ce fait, les molécules ne peuvent pas se rapprocher, alors que dans l'eau liquide, cette contrainte d'alignement n'est plus assez forte comparée à l'énergie d'agitation thermique, et les molécules glissent les unes sur les autres en étant bien plus proches en moyenne. Il faut remarquer que juste à 0°, l'eau se "souvient" encore un peu de l'état de glace et des contraintes qu'il impose. Elle n'est pas tout-à-fait à son maximum de compacité, qu'elle n'acquiert qu'à 4° : entre 0° et 4°, l'eau se contracte et ne commence à se dilater qu'au delà de 4°.