CHAPITRE VI

L'EAU LIQUIDE. — LA COMPRESSIB1LITÉ DE l'eAU. — SA DENSITÉ. — LE MAXIMUM DE DENSITÉ DE l'iîAO ET SES CONSÉQUENCES DANS LA NATURE. — ACTION DE LA CHALEUR SUR l'eAU. — LE POUVOIR DISSOLVANT DE L'EAU ET SES APPLICATIONS DANS L'INDUSTRIE. — L'AIR DISSOUS DANS L'EAU.

A l'état liquide, l'eau est peu élastique, et tellement peu compressible, qu'on a longtemps douté qu'il fût possible de la réduire à un volume moindre que le sien. Il était pourtant certain que l'eau était compressible, puisque son propre poids la comprime à tel point, dans le fond des lacs et des mers, que sa densité va toujours en augmentant depuis la surface jusqu'au fond.

On eut pendant longtemps beaucoup de peine à constater par l'expérience la compressibilité de l'eau, ou à mesurer cette compressibilité, parce que les vases dans lesquels on faisait l'expérience cédaient eux-mêmes à la pression que l'on exerçait sur l'eau. Perkins parvint le premier à mettre hors de doute la compressibilité de ce liquide, en entourant l'appareil qui sert à faire l'expérience, d'eau comprimée avec la même force. OErsted simplifia ensuite cet appareil ; de sorte qu'aujourd'hui l'expérience se fait sans aucune peine, et que l'on constate facilement le phénomène de la diminution du volume de l'eau par la pression.

L'eau diminue, seulement sous une atmosphère de pression, de 51 millionièmes de son volume, d'après les expériences de divers physiciens (Despretz, Colladon et Sturm, Vertheim, Regnault, Grassi). Une capacité d'un million de litres d'eau est réduite de 51 litres de sa capacité par la pres- I sion d'une atmosphère. Comme cette com-

pression se fait proportionnellement à la pression, pour deux atmosphères la compression serait de 102 litres, pour trois atmosphères, de 153 litres.

La pesanteur spécifique de l'eau a été prise comme unité de comparaison pour tous les autres corps. Le chiffre 1,000 représente donc cette pesanteur spécifique. Tout le monde sait qu'un centimètre cube d'eau pure, à 0°, pèse 1 gramme, et que telle est la base du système décimal appliqué à la mesure des corps en poids et en volume.

L'eau pure n'a ni couleur, ni odeur, ni saveur. Comme tous les autres corps de la nature, elle se dilate par le calorique. Il y a toutefois une différence notable entre son mode de dilatation et celui des autres corps. Pour la presque totalité des corps de la nature, le maximum de densité répond à l'état solide; il n'en est pas ainsi de l'eau, son maximum de densité n'est point à l'état solide, mais bien à l'état liquide et à la température de + 4°,1. A partir de ce point l'eau va toujours en se dilatant, soit qu'elle se refroidisse, soit qu'elle s'échauffe, de manière qu'à 0° l'eau occupe exactement le même volume qu'à -f- 9°.

La démonstration de ce phénomène important se fait, dans les cours de physique, au moyen de l'appareil représenté par la figure 29. On prend trois ballons a, b, c, contenant, le premier, a, de l'eau, le second, b, du mercure et le troisième, c, de l'alcool, et on les place dans un même vase rempli d'eau, dans laquelle on jette des fragments de glace. Un thermomètre plongeant dans l'eau, en donne la température. Au commencement de l'expérience, le thermomètre marque + 15 ou -f- 20°, suivant la température de l'air extérieur; quand on a ajouté la glace, on voit le liquide du thermomètre s'abaisser. A partir de la température de 4- 12 ou -f- 15°, les trois liquides contenus dans les tubes a, b, c, se refroidis-

sent, et leur niveau s'abaisse dans les trois tubes qui les contiennent. Cet abaissement continue dans les trois tubes, jusqu'à ce que le thermomètre marque + 4°, mais quand il est arrivé à ce point, l'eau contenue dans le ballon a cesse de se comporter comme les deux autres liquides : tandis que le mercure du vase b et l'alcool du vase c continuent de s'abaisser dans le tube qui les contient, l'eau contenue dans le tube a, au lieu de s'abaisser comme eux, remonte.

C'est le résultat de sa dilatation. A la température de — (— 4°,i , l'eau atteint son maximum de densité ; par conséquent son volume est plus grand, ou, ce qui revient au même, son poids spécifique est plus léger au-dessus et au-dessous de ce terme. Voilà pourquoi le niveau de l'eau se relève dans le tube a qui contient de l'eau, alors que le mercure et l'alcool contenus dans les tubes b et c continuent de se contracter, quand la température descend au-dessous de -\- 4°. Cette expérience met bien en relief cet i portant phénomène.

Ce renversement dans les règles de la na ture paraît une sorte de vue providentielle. C'est en effet à cette circonstance, jointe à la légèreté spécifique de la glace, que nous devons, ainsi que nous l'avons dit en parlant de la glace, la conservation de la vi animale et végétale au fond des eaux. Sa cette exception aux lois du calorique, 1 eaux de notre globe seraient inhabitables. En hiver, l'eau, même dans les grands lac se refroidirait promptement jusqu'à zéro au-dessous, et se prendrait en masse to" à la fois. Alors les poissons périraient tou les autres classes d'êtres vivants manqu raient d'eau liquide, et l'été suffirait à pei pour fondre ces masses énormes de glac Mais, dans l'état actuel des choses, l'ea* dès qu'elle est refroidie jusqu'à + 4°,1, tombe au fond du bassin, et c'est seulement lorsque sa masse entière a acquis la température de -f- 4°,1 que sa surface peut se re-

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Fig. 29. — Expérience sur le maximum de densité de l'eau.

froidir davantage, parce que l'eau plus froide est plus légère alors que celle qui est moins froide, et que l'eau, comme tous les liquides, transmet le calorique avec beaucoup de lenteur.

Le fond des lacs conserve donc toujours la température de -f- 4°,1, et l'eau qui s'en écoule est constamment à 3 ou 4° au-dessus du point de congélation . Cette même température de -f 4°,1 se maintient également, et par la même raison, au fond des rivières d'un cours tranquille. Il est très-rare, même dans les plus rigoureux hivers, de voir les rivières et les gros ruisseaux se geler jusqu'au fond.

Dans les eaux courantes, dont toutes les parties se mélangent sans cesse, cette séparation entre des couches d'eau à + 4°,1 et le reste de la masse, n'a pas lieu; la glace peut se former au fond de l'eau, contre les aspérités qui forment son lit, et aussi autour des bulles gazeuses que l'eau abandonne en se congelant. Mais les glaçons, une fois formés, ne restent pas en place. En raison

de leur poids spécifique, ils gagnent la surface de l'eau, et quand toute, la surface est gelée, la masse devient tranquille. La précipitation au fond du bassin, de l'eau à -(- 4°,1 se fait donc même dans les eaux courantes, et les êtres vivants sont ainsi maintenus dans un milieu tempéré.

L'eau conduit mal la chaleur ainsi que l'éiectrieité. D'après le physicien Despretz, un cylindre d'eau de 1 mètre de longueur et de 40 centimètres de diamètre, dans la partie supérieure duquel on entretient constamment de l'eau bouillante, n'atteint la température de L'ébullition dans toute sa masse , qu'après soixante heures. Ce fait prouve d'une manière frappante la mauvaise conductibilité de l'eau pour la chaleur.

Si l'on applique la chaleur en un point quelconque de sa masse, l'eau s'échauffe assez vite, mais il ne faudrait point conclure de là que l'eau soit un bon conducteur du calorique. L'échauffement rapide de l'eau ne tient qu'à ce que l'eau chaude est

plus légère que l'eau froide. Lorsqu'on applique la chaleur au fond d'un vase contenant de l'eau froide, la première couche s'échauffe, devient plus légère, monte, et est aussitôt remplacée par une autre couche plus froide. Cet échange se fait avec beaucoup de rapidité, de sorte qu'une série de courants ascendants ou descendants traversent le liquide jusqu'à ce qu'une température uniforme se soit établie dans toute«a masse. Ce phénomène se manifeste d'une façon

Fig. 30. — Mode d'échauffement de l'eau par des courants verticaux de couches ascendantes et descendantes cliaudes et froides.

bien claire lorsqu'on chauffe de l'eau mélangée de particules légères, telles, que de la sciure de bois, ou d'autres poudres légères. Le mouvement de ces poudres indique les directions des courants qui s'établissent au sein du liquide, comme le représente la figure 30.

Le pouvoir dissolvant de l'eau pour les différents corps est considérable. On a dit que l'eau est le grand dissolvant de la nature. Cela est vrai, et même, à parler rigoureusement, il n'existe aucun corps qui soit absolument insoluble dans l'eau. Il n'est presque pas d'opération, presque pas de phénomène naturel dans lesquels n'inter-

vienne l'action dissolvante de l'eau. On ne connaît guère que les corps gras, et en généi'al les substances organiques très-hydrogénées et très-carburées, comme les huiles essentielles, qui résistent à l'action dissolvante de l'eau.

En ce qui concerne la quantité de substance solide que l'eau peut dissoudre, il y a des corps qui se dissolvent dans l'eau, en même quantité à toutes les températures : tel est le chlorure de sodium; mais, dans le cas le plus général, la quantité du corps dissous augmente avec la température. Parmi les sels dont la solubilité dans l'eau augmente en raison directe de la température, il faut citer le chlorure de potassium, le chlorure de baryum, le sulfate de potassium.

Mais le plus souvent la solubilité des sels dans l'eau augmente considérablement avec l'élévation de la température. C'est ce qui a lieu pour les azotates de potasse et de soude, les azotates de baryte, le chlorate de potasse, etc., de sorte qu'une dissolution de ces sels, faite dans l'eau bouillante, abandonne, par le refroidissement, une grande partie du sel, qui se sépare à l'état cristallisé.

C'est sur la propriété dont jouit l'eau de dissoudre de plus grandes quantités de matières salines à la température de l'ébullition qu'à la température ordinaire, qu'est fondée, dans l'industrie chimique, la purification de la plupart des substances. L'industrie du salpêtre (azotate de potasse) repose sur la propriété dont jouit l'eau de dissoudre, à l'ébullition, de grandes quantités de ce sel, et d'en laisser déposer la plus grande partie sous forme de cristaux, par le refroidissement de la dissolution, parce que l'eau froide dissout beaucoup moins de salpêtre que l'eau bouillante.

La cristallisation par l'intervention de l'eau bouillante, est la base de beaucoup d'opérations chimiques analogues. Dissoudre

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une substance impure dans l'eau bouillante, et laisser refroidir la liqueur, pour obtenir ce produit pur et cristallisé, tel est le grand secret de l'industrie chimique.

; Fig. 3).— Cristallisation de salpêtre parle refroidissement

d'une dissolution faite dans l'eau bouillante.

Jl arrive quelquefois, bien que le fait soit rare, que la solubilité d'un corps diminue à mesure que la température s'élève. Cette ! véritable anomalie physique s'observe pour I l'hydrate de chaux, le citrate de chaux, le j sulfate de cérium , le sulfate de lithium, l le butyrate de chaux, le sulfate de chaux, le sulfate de thorine, etc. Aussi les solutions | de ces sels saturées à froid, deviennenti elles troubles lorsqu'on les chauffe. La dissolution de butyrate de chaux faite à froid se prend presque en masse quand on la porte a l'ébullition.

Il peut encore arriver, mais le cas est également rare, que la solubilité d'un corps augmente d'abord rapidement avec la température, qu'elle atteigne son maximum à un certain degré de chaleur, et qu'ensuite elle diminue continuellement à mesure que la température s'élève. Ainsi, 100 parties d'eau à zéro dissolvent 12,17 parties de sulfate de soude cristallisé ; à 25° centigrades, elles en dissolvent 100 parties, c'est-à-dire leur poids; à 33° centigrades, 322 parties (c'est là le maximum de solubilité)', et à 50° centigrades, 262 parties seulement.

Dans l'industrie chimique, la séparation et la purification de plusieurs sels reposent

sur la propriété particulière à ces sels d'être inégalement solubles dans l'eau à des températures différentes. Les corps les moins solubles sont ceux qui se déposent les premiers. Les sulfates de quinine, de quinidine, de cinchonine, par. exemple, se séparent par ce moyen des dissolutions que l'on obtient en faisant bouillir avec de l'eau légèrement acidulée par l'acide sulfurique les écorces de quinquinas préalablement pulvérisées, et en filtrant. La séparation du chlorate de potasse et du chlorure de potassium, obtenus en faisant passer un courant de chlore dans une solution de carbonate de potasse, s'effectue de la même manière. Le mélange étant traité par l'eau bouillante, etla liqueurabandonnée au refroidissement, le chlorate de potasse cristallise par le refroidissement de la liqueur, et le chlorure de potassium reste dissous.

L'eau dissout la plupart des corps sans les décomposer; mais il existe un certain nombre de sels qui, mis en contact avec l'eau, se séparent en deux autres sels, l'un soluble, qui reste en dissolution, l'autre insoluble, qui se précipite: tels sont les azotates de mercure, de bismuth, le sulfate de mercure, etc. Ce dernier sel, au contact de l'eau, se dédouble en sulfate acide soluble, et en sulfate basique insoluble, ou turbith minéral.

On dit que Tcau est saturée lorsqu'elle a dissous toute la quantité d'un corps qu'elle peut dissoudre à une température déterminée.

L'eau saturée d'un sel peut encore dissoudre un autre sel. Ainsi, une solution saturée de chlorure de sodium dissout plus d'azotate de potasse que l'eau pure.

La dissolution des liquides ou des solides dans l'eau, est quelquefois accompagnée d'un dégagement de chaleur ou d'une production de froid. Bien plus, un même corps peut produire successivement ces deux effets. C'est ainsi que le sulfate de soude

anhydre se dissout dans l'eau en dégageant de la chaleur, tandis que le même sel cristallisé se dissout en produisant du froid.

Tous les gaz sont plus ou moins soluhles dans l'eau; il n'existe même aucun gaz absolument insoluble dans ce liquide.

La quantité d'un gaz que l'eau peut dissoudre dépend de la température et de la pression. Ainsi, l'eau dissout d ,000 fois son volume de gaz ammoniac à zéro et sous la pression ordinaire, et cette solubilité diminue graduellement, de sorte qu'à 60° centigrades, elle est presque nulle. La dissolution j d'un gaz dans l'eau est toujours en raison inverse de l'élévation de la température et en raison directe de l'intensité de la pression.

L'eau dissout l'air atmosphérique ; mais l'air atmosphérique étant formé d'un mélange d'oxygène et d'azote, on ne sera pas surpris d'apprendre que les deux gaz ne se trouvent pas dissous dans l'eau dans les proportions intégrales où ces deux gaz constituent l'air atmosphérique. La plus grande solubilité du gaz oxygène dans l'eau, comparativement au gaz azote , explique cette circonstance.

D'après Gay-Lussac et de Humboldt, L'air dissous dans l'eau bien aérée renferme 32 pour 100 d'oxygène. Reaucoup de chimistes ont confirmé les résultats obtenus par Gay- Lussac et de Humboldt; de sorte qu'il est admis généralementque l'air dissous dans l'eau renferme 32 pour 100 d'oxygène en volume, au lieu de 21, qui est la proportion normale de l'oxygène dans l'air. Dôbereiner a analysé l'air extrait de l'eau distillée qu'il avait soumise à l'aération : cette eau contenait 33,3 pour 100 d'oxygène pour 100 parties.

La diminution de la pression atmosphérique a pour résultat de diminuer la quantité d'air dissous dans l'eau. M. Roussingault a observé qu'à une hauteur de 2,600 mètres, l'eau n'absorbe que le tiers du volume d'air qu'elle dissout au niveau de la

mer. 1 litre d'eau pris au niveau de la mer, contenait 33 parties d'air, tandis que près de Santa-Fé de Rogota, à une élévation de 2,640 mètres au-dessus du niveau de la mer, 1 litre d'eau ne renfermait plus que 12 parties d'air.

C'est à la diminution de la quantité d'air existant dans les lacs des Alpes et dans d'autres régions très-élevées, qu'il faut attribuer l'absence des poissons dans ces lacs : la petite proportion d'oxygène contenue dans les eaux ne suffirait pas à entretenir la respiration de ces animaux.

Les poissons ne vivent que dans l'eau aérée; ils meurent promptement lorsqu'on les plonge dans la même eau privée d'air. On sait que ces animaux sont munis d'organes particuliers, nommés branchies, pour absorber l'oxygène contenu dans l'eau.

Sous le rapport de l'alimentation, l'eau aérée est beaucoup plus salubre et agréable que l'eau privée d'air. Aussi, comme nous le verrons plus loin, l'air existe-t-il dans toutes les eaux potables.