Les molécules d’eau sont-elles toutes identiques ?

> > Les molécules d’eau sont-elles toutes identiques ? ; écrit le: 13 mars 2012 par Hela modifié le 17 novembre 2014

Les molécules d’eau sont-elles toutes identiques ?

La quasi-totalité des molécules d’eau sont identiques, à quelques exceptions près, liées à l’existence de différentes variétés d’oxygène et d’hydrogène.

Les atomes comportent un noyau constitué de nucléons : protons et neutrons. Ceux qui appartiennent au même élément chimique possèdent systématiquement le même nombre de protons, mais le nombre de neutrons peut varier d’un individu à l’autre.

Les différentes formes d’un même élément chimique constituent ses isotopes, repérés par le nombre total de nucléons, aussi appelé nombre de masse. L’atome d’hydrogène ordinaire H ou hydrogène 1 comporte un noyau à un seul proton et est de loin le plus répandu dans la nature. Le deutérium D ou hydrogène 2 (un noyau sur un peu plus de 6 500) renferme un proton et un neutron et le tritium ou hydrogène 3 (moins d’un atome sur dix millions) contient un proton et deux neutrons.

Les noyaux des atomes d’oxygène naturel, quant à eux, détiennent tous huit protons, avec un nombre de neutrons allant de huit à dix, d’où l’existence des variétés oxygène 16, oxygène 17 et oxygène 18. La plupart du temps, on a affaire à de l’oxygène 16, mais l’on rencontre aussi à l’état naturel des molécules d’eau avec de l’oxygène 17 (un atome sur 2 500) ou 18 (un atome sur 500).

La composition isotopique de l’eau est-elle la même partout ?

Non, il existe une véritable discrimination isotopique.

La teneur de l’eau en oxygène 18 (et en deutérium) varie lors des changements d’état (condensation ou évaporation), lors des réactions d’hydratation et  de déshydratation, ainsi qu’au cours des processus de transport diffusif. pourcentage d’oxygène 18 renseigne sur l’origine de l’eau : eau de mer (prise pour référence), eau météorique (pluie ou neige), eau constitutive des roches et des organismes vivants.

Face au cycle de l’eau, les isotopes lourds et légers n’adoptent pas le même comportement. Les nuages, formés par évaporation de l’eau des océans, sont appauvris en oxygène 18 et en deutérium car l’eau légère s’est évaporée en premier. Le déficit s’accentue lors des précipitations, les nuages perdant encore de l’oxygène 18, qui retombe plus facilement. Plus l’eau a séjourné longtemps dans les nuages, plus elle sera pauvre en oxygène 18. Les eaux polaires, qui se sont condensées plus tard, du fait du mouvement des masses d’eau partant de l’équateur, sont les plus pauvres.

L’eau de pluie montre ainsi une variation importante de la teneur isotopique en fonction des paramètres géographiques. Les rapports isotope lourd/isotope léger diminuent quand la latitude augmente et quand on s’éloigne de la mer. Le rapport D/H de l’eau est de l’ordre de 156 ppm (parties par million) aux

environs de l’équateur et décroît considérablement vers les pôles, avec une valeur caractéristique de 129 ppm au Groenland. On note également une légère diminution lorsque l’altitude augmente.

À l’inverse, l’eau des roches du manteau et de la croûte terrestre présente un excédent d’oxygène 18. Il en va de même pour les organismes vivants, la photosynthèse enrichissant les plantes en oxygène 18, malgré l’apport d’eau de pluie.

Véritable traceur des origines, l’analyse isotopique a connu un fort développement ces dernières années. Elle s’effectue soit par spectrométrie de masse, soit par résonance magnétique nucléaire. Cette dernière technique permet de surcroît la détermination des rapports isotopiques spécifiques aux différents sites chimiques d’une molécule.

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