Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau ?
― La plupart des matières coulent
Que la glace flotte paraît aller de soi. Pourtant, c'est un comportement très inhabituel pour une matière. La plupart des substances rétrécissent en se solidifiant, et coulent. Seule l'eau grossit en gelant. Sans cette exception, les lacs et les océans auraient pu geler par le fond.
On met un glaçon dans un verre d'eau, il flotte. Personne ne s'en étonne.
Mais si l'on fait fondre de la cire de bougie et qu'on y jette un morceau de cire solide, que se passe-t-il ? Il coule. Un métal solide plongé dans le même métal fondu, lui aussi, coule presque toujours.
La raison est simple. Quand une matière se solidifie, ses particules s'alignent et cherchent à s'empiler sans laisser d'espace. Plus elles sont tassées, plus elles sont lourdes à volume égal, donc plus lourdes que le liquide. D'où la chute. C'est la norme.
L'eau échappe à cette règle. En gelant, son volume augmente d'environ 9 %. C'est pourquoi une bouteille d'eau mise au congélateur gonfle jusqu'à se déformer.
La molécule d'eau n'est pas droite mais coudée, et elle a la particularité de se lier dans quatre directions précises. C'est cette orientation fixe qui change tout.
Dans la glace, chaque molécule se lie dans les quatre directions, formant une charpente pleine de vides. À l'état liquide, en revanche, les liaisons se défont et se refont sans cesse, ce qui permet aux molécules de se serrer bien plus étroitement.
Autrement dit, l'eau a cette propriété rare : s'aligner lui prend plus de place. Voyons cela en détail.
Pourquoi la glace est-elle pleine de vides ?
La molécule d'eau, faite d'un oxygène et de deux hydrogènes, a une forme coudée, en « V ». Cette forme crée un déséquilibre électrique : l'hydrogène d'une molécule est attiré vers l'oxygène d'une molécule voisine. C'est un peu comme si les molécules se donnaient la main.
Le point essentiel, c'est que cette « main » a une direction de prédilection. Elle ne se lie pas n'importe où : seul un angle précis permet une bonne liaison. Chaque molécule peut ainsi tendre ses bras dans quatre directions.
En refroidissant lentement, les molécules cessent de bouger et se lient toutes selon l'orientation la plus favorable. Il en résulte une charpente qui ressemble à un empilement de tétraèdres. Cette charpente est criblée de vides.
Dans l'eau liquide, en revanche, les liaisons se rompent et se reforment sans cesse. Sans cet alignement, les molécules peuvent se glisser dans les interstices et se serrer plus étroitement.
Voilà pourquoi l'eau, en gelant (c'est-à-dire en s'alignant), voit paradoxalement son volume augmenter. Une matière rare, où l'ordre coûte de la place.
L'eau, elle, gonfle en s'alignant.
Normalement, un liquide rétrécit et s'alourdit à mesure qu'il refroidit. Mais l'eau est la plus lourde à 4°C, et en dessous, en se rapprochant de 0°C, elle redevient plus légère.
On explique cela par le fait que les prémices de la charpente de glace commencent à se former dès l'état liquide. L'« effet de tassement » et l'« effet de charpente » s'opposent, et s'équilibrent à 4°C.
Cette propriété compte aussi pour les lacs. En hiver, quand la surface se refroidit, l'eau s'alourdit et coule, brassant tout le lac. Mais en dessous de 4°C, elle s'allège et cesse de couler. L'eau froide reste donc en surface pour geler, tandis que le fond conserve de l'eau à 4°C.
Et si la glace coulait ?
Imaginez. En hiver, de la glace se forme en surface d'un lac. Si elle coulait, elle tomberait au fond dès sa formation.
La surface resterait alors constamment liquide, exposée à l'air froid, et continuerait de geler sans cesse. La glace s'empilerait depuis le fond, et tout le lac finirait par n'être qu'un bloc de glace.
Même en été, la glace du fond, privée de lumière et protégée par l'eau au-dessus, se réchaufferait mal. Elle pourrait ne jamais fondre entièrement.
Dans la réalité, comme la glace flotte, un couvercle se forme en surface. La glace conduisant mal la chaleur, l'eau en dessous se refroidit lentement. Le fond reste donc liquide, et poissons et plantes aquatiques peuvent passer l'hiver (figure 1, panneau du bas).
Sans cette propriété, la vie aquatique des régions froides n'aurait peut-être pas pu exister. Le simple fait que la molécule ait une forme coudée est une condition de base des écosystèmes.
La glace flottant à la surface de l'océan Arctique, en fondant, ne change presque rien au niveau de la mer. Cette glace flottante déplace déjà, par son propre poids, un certain volume d'eau. En fondant, elle occupe exactement ce volume déplacé.
On peut le vérifier avec un verre d'eau glacée. Même quand tous les glaçons ont fondu, l'eau ne déborde pas.
D'où vient alors la montée du niveau des mers ? De la glace posée sur la terre ferme. Les calottes du Groenland et de l'Antarctique, les glaciers de montagne. Ceux-ci ne flottent pas sur la mer, donc leur fonte s'ajoute intégralement à l'océan. Il faut distinguer « glace flottante » et « glace terrestre » (on considère par ailleurs que la dilatation de l'eau de mer elle-même, sous l'effet du réchauffement, joue aussi un rôle important).
Le revers gênant de ce gonflement en gelant
Cette augmentation de volume peut devenir une force considérable. La pression exercée par l'eau qui gèle est très puissante.
- Les canalisations éclatent ― l'eau qu'elles contiennent gèle, gonfle, et brise le tuyau de l'intérieur. Laisser couler un mince filet d'eau par grand froid sert justement à éviter le gel
- Les roches se fissurent ― l'eau infiltrée dans une fissure gèle, dégèle, gèle à nouveau, et finit par faire éclater la roche. C'est une cause majeure de l'érosion en montagne et des chutes de pierres
- Les routes se déforment ― l'eau sous le revêtement gèle et soulève la chaussée, puis en dégelant elle s'affaisse. C'est l'une des causes de la dégradation des routes en climat froid
- La texture des aliments surgelés change ― des cristaux de glace se forment dans les cellules et les brisent de l'intérieur. Une congélation rapide donne des cristaux plus petits, ce qui limiterait les dégâts
De même, le fait que saler la glace fasse baisser sa température découle de cette même propriété de l'eau.
Une expérience à faire chez soi
- Remplissez un petit récipient (un gobelet en plastique, par exemple) d'eau jusqu'à ras bord
- Marquez le niveau de l'eau avec un feutre indélébile
- Laissez geler toute une nuit au congélateur
- Le lendemain matin, la surface de la glace dépasse nettement la marque. C'est le surplus gonflé
- Ensuite, mettez de l'eau et des glaçons dans un verre, marquez le niveau de l'eau, et attendez que toute la glace fonde. Le niveau ne change quasiment pas
La première partie montre que « le volume augmente en gelant », la seconde que « la fonte de la glace flottante ne change pas le niveau de l'eau ». Ne faites jamais cette expérience dans un bocal en verre ou un récipient fermé hermétiquement. Il pourrait se briser.
En résumé
La glace flotte sur l'eau parce que la molécule d'eau est coudée en « V » et ne peut se lier que dans des directions précises. En s'alignant correctement, elle forme une charpente pleine de vides, plus légère que le liquide. Une matière rare, où s'aligner coûte de la place.
Si la molécule avait été droite,
les lacs auraient peut-être gelé par le fond.
Cette même glace, une fois devenue une masse énorme, se met paradoxalement à « couler » comme une rivière. Ce mécanisme est expliqué dans Pourquoi un glacier, fait de glace dure, s'écoule-t-il comme une rivière ?.
Jusqu'à quel poids une plaque de glace formée en surface d'un lac peut-elle supporter une personne (avec une épaisseur double, la résistance quadruple) ? C'est expliqué dans Quelle épaisseur de glace faut-il, sur un étang ou un lac gelé, pour qu'une personne puisse marcher dessus ?.
Cette propriété d'être la plus lourde à 4°C provoque aussi, chaque saison, de grands brassages dans les lacs. Ce mécanisme est expliqué dans Pourquoi l'eau d'un lac s'inverse-t-elle, haut et bas, à l'automne ?.
Enfin, l'eau ne gèle pas forcément dès qu'elle atteint 0°C. Sans un déclencheur pour amorcer la charpente de glace, elle peut rester liquide bien en dessous de 0°C. Ce mystère est expliqué dans On m'a appris que l'eau gèle à 0°C : alors pourquoi certaines eaux ne gèlent-elles pas même à -20°C ?.
Pour aller plus loin ― termes, chiffres, liens avec les manuelsDu collège aux sujets encore en recherche : le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeNiveau collège (sciences)
- LycéeNiveau lycée, chimie de base
- Lycée+Niveau lycée avancé, ou encart/développement du manuel
- UniversitéNon vu au lycée, matière spécialisée universitaire (chimie physique)
- RechercheNon établi même à l'université comme un fait acquis, sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots pour décrire les mystères de l'eau
- Masse volumique : le poids à volume égal. La glace vaut environ 0,917 g/cm³, l'eau (à 4°C) 1,000 g/cm³.
- Liaison hydrogène : ce qui se cache derrière la « poignée de main » du texte. L'hydrogène d'une molécule d'eau est attiré vers l'oxygène d'une molécule voisine.
- Cristal : état où les particules sont rangées de façon ordonnée. La glace comme les flocons de neige naissent de la même charpente.
- Anomalies de l'eau : terme désignant les propriétés de l'eau difficiles à expliquer par comparaison aux autres substances. Le fait que la glace flotte en est une.
- Gélifraction : fracturation des roches sous l'effet de la force exercée par l'eau qui gèle. Considérée comme une cause majeure de l'érosion en montagne.
LycéeCalcul : quelle proportion de l'iceberg est visible ?
On parle de « la partie émergée de l'iceberg ». Mais quelle en est la proportion exacte ? Connaissant les masses volumiques, une simple division suffit.
Proportion immergée = masse volumique de la glace ÷ masse volumique du liquide
| Masse volumique de la glace | 0,917 g/cm³ |
| Masse volumique de l'eau | 1,000 g/cm³ |
| Masse volumique de l'eau de mer | 1,025 g/cm³ |
Un objet qui flotte s'arrête au moment où il déplace un volume de liquide dont le poids égale le sien. La proportion immergée dépend donc uniquement du rapport des deux masses volumiques. Ni la taille ni la forme n'entrent en compte. Un glaçon ou un iceberg : même proportion.
| Flottant dans l'eau douce, proportion immergée | 0,917 ÷ 1,000 = 0,917 (91,7 %) |
| Proportion émergée | (1 − 0,917) × 100 = 8,3 % |
| Flottant en mer, proportion immergée | 0,917 ÷ 1,025 ≈ 0,895 (89,5 %) |
| En mer, proportion émergée | (1 − 0,895) × 100 ≈ 10,5 % |
Environ un dixième seulement est visible. L'expression « la partie émergée de l'iceberg » n'est donc pas qu'une image : c'est un chiffre à peu près exact.
Si la mer laisse dépasser un peu plus, c'est parce que le sel alourdit l'eau de mer. Un seul chiffre, 0,917, permet d'aller jusque-là.
Reprenons le même chiffre, mais dans l'autre sens. Quand l'eau gèle, de combien augmente son volume ?
| Volume de 1 L d'eau devenue glace | 1 ÷ 0,917 ≈ 1,09 L |
| Augmentation | (1,09 − 1) × 100 = 9 % |
Environ 9 % de gonflement. Cela explique plusieurs choses.
- Une boisson qui gèle fait éclater son récipient. Une bouteille bouchée n'a nulle part où céder, et explose
- Les canalisations éclatent en hiver. L'eau à l'intérieur gonfle de 9 % sans espace disponible, et fend le métal
- Les roches se fissurent, les routes se trouent. L'eau infiltrée dans une fente gèle et écarte la matière. Répété maintes fois, cela transforme le paysage
« Gonfler en gelant », ce n'est que 9 %. Et pourtant, cela suffit à briser un tuyau métallique. Sans espace pour se dilater, même une faible variation de volume devient une force considérable.
L'eau a encore une autre particularité : elle est la plus lourde non pas à 0°C, mais à 4°C.
| Masse volumique de l'eau à 4°C | 1,000 g/cm³ (maximum) |
| Masse volumique de l'eau à 0°C | environ 0,9999 g/cm³ |
| Masse volumique de la glace à 0°C | 0,917 g/cm³ |
L'eau refroidie coule vers le fond, mais en dessous de 4°C, elle redevient plus légère et cesse de couler. Résultat : l'étang garde de l'eau à 4°C au fond, et gèle depuis la surface.
Si la glace était plus lourde que l'eau, la glace formée en surface tomberait au fond, et l'étang gèlerait progressivement depuis le fond. Ce chiffre de 0,917 décide, en somme, si la vie peut ou non hiverner là.
LycéeEn chiffres : à quel point la glace est-elle légère ?
| Masse volumique de la glace (0°C) | environ 0,917 g/cm³ |
| Masse volumique de l'eau (4°C) | 1,000 g/cm³ |
| Augmentation de volume en gelant | 1 ÷ 0,917 ≈ 1,09 → environ 9 % d'augmentation |
| Part émergée d'un glaçon dans l'eau douce | (1 − 0,917) × 100 = environ 8 % |
| Dans l'eau de mer (environ 1,025) | (1 − 0,917 ÷ 1,025) × 100 ≈ environ 11 % |
※ Ces valeurs varient selon la température et les impuretés. Ce sont des ordres de grandeur usuels.
L'expression « la partie émergée de l'iceberg » vient de ce calcul. Ce qu'on voit ne représente qu'environ un dixième du total ; le reste est sous l'eau.
LycéeLycée+Pourquoi l'orientation fixe des liaisons joue-t-elle un rôle ?
La molécule d'eau est coudée à environ 104,5 degrés, avec un pôle négatif côté oxygène et un pôle positif côté hydrogène. Chaque molécule tend deux « bras » via ses hydrogènes, et en reçoit deux via les doublets non liants de l'oxygène, soit quatre liaisons possibles au total.
Ces quatre liaisons trouvent leur configuration la plus stable en pointant vers les sommets d'un tétraèdre. Si toutes les molécules cherchent à satisfaire cette orientation, il en résulte nécessairement une structure percée de tunnels hexagonaux. La forme hexagonale des flocons de neige n'est autre que cette charpente rendue visible.
La comparaison est éclairante. Les forces d'attraction entre la plupart des molécules (forces de Van der Waals) n'ont pas de direction privilégiée. En se solidifiant, elles tendent donc à empiler les sphères le plus densément possible, ce qui augmente la masse volumique. L'eau, elle, sacrifie ce tassement au profit de liaisons orientées.
UniversitéLa pente du diagramme de phases est inversée
Sur un diagramme représentant les états d'une matière selon pression et température (diagramme de phases), l'eau a une forme caractéristique. La frontière entre solide et liquide y est inclinée vers la gauche, alors que pour la plupart des substances, elle penche vers la droite.
Cela signifie que la pression fait fondre la glace. Dans la relation de Clausius-Clapeyron dP/dT = ΔH / (T ΔV), la variation de volume à la fusion ΔV est négative. Pour une substance ordinaire, elle est positive, d'où l'inversion du signe de la pente.
Attention toutefois : l'explication répandue selon laquelle « on glisse en patin parce que la pression fait fondre la glace » est largement erronée. Le calcul montre que l'abaissement du point de fusion sous la pression d'une lame de patin est infime, insuffisant à lui seul pour expliquer le phénomène (ce point est également abordé dans l'article sur le sel et la glace).
À des pressions plus élevées encore apparaissent des glaces d'une structure différente de celle que nous connaissons. Numérotées, près d'une vingtaine de variétés ont été recensées à ce jour. Certaines sont plus denses que l'eau liquide. « La glace flotte » n'est donc vrai que dans les conditions de surface terrestre.
RechercheL'eau, encore mal expliquée aujourd'hui
- On recense plus de 70 « anomalies » de l'eau. Densité maximale à 4°C, chaleur spécifique élevée, tension superficielle forte, fluidité accrue sous pression. Aucune théorie unique n'explique encore l'ensemble. Le liquide le plus familier reste aussi l'un des plus difficiles à comprendre.
- Une hypothèse propose que l'eau serait un mélange de deux liquides. Un état de faible densité et un état de forte densité, dont la proportion varierait selon les conditions. Si cette idée se confirmait, elle expliquerait d'un coup de nombreuses anomalies. Mais la plage de température à vérifier (environ -90°C à -40°C) est si difficile à étudier — l'eau y gèle presque instantanément — que les chercheurs l'appellent depuis longtemps « la terre où personne ne peut entrer ». Des mesures récentes à très courte échelle de temps apportent des résultats en faveur de cette hypothèse, mais rien n'est tranché.
- La limite jusqu'à laquelle l'eau surfondue peut rester liquide n'est pas non plus établie. On sait que dans de bonnes conditions, l'eau pure peut rester liquide jusque vers -38°C sans geler. Mais où se situe exactement cette limite, et que s'y passe-t-il, reste une question ouverte, directement liée au débat précédent.
- L'exploration des structures de glace se poursuit également. Sous haute pression ou dans des conditions particulières, on découvre encore de nouvelles glaces, et leur nombre recensé continue d'augmenter. Combien de « glaces » existe-t-il vraiment ? La réponse n'est toujours pas fixée.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage correspondant |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : masse volumique / changements d'état / poussée d'Archimède | Augmentation de volume en gelant, raison de la flottaison, cas du lac |
| Lycée | Chimie : forme et polarité des molécules / forces intermoléculaires | Forme coudée, liaison hydrogène, liaisons dans 4 directions |
| Lycée+ | Chimie : structure cristalline / diagrammes de phases | Charpente pleine de vides, hexagones des flocons |
| Université | Chimie physique : équilibres de phases | Pente du diagramme de phases, Clausius-Clapeyron, glaces haute pression |
| Recherche | Physique des liquides (non résolu) | Explication unifiée des anomalies de l'eau, hypothèse des deux états, limite de la surfusion |
| ― | Sciences de la Terre / biologie | Gélifraction, hivernage des lacs, idée reçue sur la montée des mers |
- Atkins, P. & de Paula, J., Physical Chemistry (diagrammes de phases, liaison hydrogène, changements d'état).
- Petrenko, V. F. & Whitworth, R. W., Physics of Ice (ouvrage de référence sur la structure et les propriétés de la glace).
- Gallo, P. et al., Water: A Tale of Two Liquids, Chemical Reviews 116(13), 7463–7500, 2016 (synthèse sur l'hypothèse des deux états).
- Kim, K. H. et al., Maxima in the thermodynamic response and correlation functions of deeply supercooled water, Science 358, 1589–1593, 2017 (mesures sur l'eau surfondue).
- GIEC, sixième rapport d'évaluation (évaluation des facteurs de la montée du niveau des mers).
※ Les valeurs de masse volumique varient selon la température et les impuretés. Cet article donne les ordres de grandeur usuels.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères pour comprendre les mécanismes en jeu et peuvent varier selon les conditions. Pour l'observation, ne faites jamais geler de l'eau dans un récipient hermétique ou en verre. Il pourrait se briser.