L’eau qui gèle, ça fait de la glace. Pas de doute là-dessus. Ce qui est moins évident, c’est pourquoi ta bouteille pleine d’eau explose quand elle fige au congélateur. Pourquoi l’eau qui se solidifie à 0 °C prend-elle plus de place que l’eau liquide ? Qu’est-ce qui se passe avec les molécules d’eau ?
À l’état liquide, les molécules d’eau (H2O, deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène) sont mobiles. Plus il y a de la chaleur, plus elles bougent. C’est ce qu’on appelle l’agitation thermique. Sous la force du mouvement, les liens qui unissent les molécules se tordent et se plient aisément. Il est donc facile pour les molécules d’eau de se coller les unes aux autres.
Dès que la température baisse, l’agitation des molécules diminue. Les liaisons entre elles se raidissent peu à peu. Lorsqu’il fait suffisamment froid (0 °C), les molécules ne bougent pratiquement plus. L’eau adopte une structure rigide et se présente sous sa forme solide : la glace.
Si l’on jette un cube de glace dans un verre d’eau, il flotte à la surface. Plutôt étrange, n’est-ce pas ? Même si elle est constituée de la même matière, la glace est moins dense que l’eau. Rappelons-nous que la densité est le rapport entre la masse et le volume. Pourtant, de façon générale, un liquide qui se solidifie perd du volume et gagne en densité. Ses molécules plus froides bougent moins, se rapprochent et occupent moins d’espace.
L’eau fait exception à cette règle, à cause de liaisons chimiques particulières qui unissent ses molécules : les liens hydrogène. Ces liens unissent l’hydrogène d’une molécule d’eau avec l’oxygène d’une deuxième molécule d’eau. Soumises à l’effet du froid, ces liaisons se raidissent et deviennent bien droites, complètement tendues. Une plus grande distance s’installe alors entre les molécules d’eau. La glace occupe donc un plus grand volume que l’eau liquide.
À volume égal, l’eau et la glace ne contiennent donc pas la même quantité de matière, car la glace est moins dense que l’eau. La glace suit le principe d’Archimède et flotte. Évidemment, l’eau prendra aussi plus de place dans la bouteille pleine d’eau que tu as oubliée dans le congélateur et qui vient tout juste d’exploser !