Glace

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Bloc de glace
Cristaux de glace

La glace est de l'eau à l'état solide. À la pression atmosphérique normale (101 325 Pa), l'eau est sous forme de glace lorsque sa température est inférieure à sa température de fusion qui est, par convention, °C (soit 273,15 K).

Cependant, en l'absence de cristal de glace, de l'eau calme peut être refroidie à des températures inférieures à °C sans se congeler, dans un état d'équilibre instable appelé surfusion, et atteindre ainsi des températures allant jusqu'à −48 °C[1]. La température de fusion de la glace servit de point fixe pour la définition originelle de l'échelle de températures Celsius.

L'ensemble des zones de la surface terrestre où l'eau se trouve sous forme gelée est la cryosphère.

Physique de la glace[modifier | modifier le code]

La glace présente plus de onze variétés allotropiques dont la plupart des domaines d'existence sont représentés dans le diagramme de phase ci-dessous. Elle existe également sous forme amorphe.

Diagramme de phase de l'eau

À la pression atmosphérique normale (et jusqu'à une pression d'environ 0,2 GPa ou 2 000 bars), les molécules d'eau de la glace ordinaire forment une structure cristalline suivant un réseau hexagonal (a = 4,52 Å, c = 7,37 Å), dont la stabilité est assurée par des liaisons hydrogène ; cette variété allotropique est appelée « glace 1h » ou « glace Ih » (h pour hexagonal). Cette structure présente une faible compacité, et la masse volumique de la glace ordinaire est inférieure à celle de l'eau (917 kg/m³ pour de la glace pure à °C, pression atmosphérique normale).

Ceci explique que la température du point de fusion de la glace ordinaire s'abaisse avec l'augmentation de la pression (il s'agit d'une anomalie : les températures de fusion croissent normalement avec la pression) jusqu'à un minimum de −22 °C (cf diagramme de phase de la glace) pour une pression d'environ 0,2 GPa (ici commence le domaine de la glace III).

En fonction des conditions de température et de pression, la glace peut adopter d'autres structures cristallines, généralement plus compactes que la glace ordinaire ; certaines de ces variétés de glace peuvent se rencontrer dans les conditions extrêmes régnant à la surface d'autres planètes ou satellites du système solaire :

Phase Caractéristiques
Glace amorphe Une glace amorphe est une glace sans structure cristalline. La glace amorphe existe sous trois formes : basse densité à pression atmosphérique ou inférieure, haute densité et très haute densité se formant à plus hautes pressions. Elles sont obtenues par refroidissement ultra rapide de l'eau liquide.
Glace Ih Glace cristalline à réseau hexagonal. Pratiquement toute la glace de la biosphère est de la glace Ih, avec un petit peu de Ic.
Glace Ic Forme métastable cubique à faces centrées de la glace. Les atomes d'oxygène sont arrangés comme dans la structure du diamant. Elle se produit entre 130 et 220 K, et peut exister jusqu'à 240 K[2],[3],où elle se transforme en glace Ih. Elle peut occasionnellement être présente en haute atmosphère[4]. Densité 0,9
Glace II Une forme orthorhombique centrée très ordonnée. Produite à partir de glace Ih par compression à la température de 190–210 K. Se transforme en glace III par chauffage. Densité env. 1,2
Glace III Une glace tétragonale produite en refroidissant de l'eau liquide à 250 K comprimée à 300 MPa. Densité env. 1,1
Glace IV Une phase orthorhombique métastable. Peut être produite en chauffant de la glace amorphe haute densité lentement à la pression de 810 MPa. Ne se forme pas facilement sans germe[5].
Glace V Phase monoclinique à base centrée. Produite en refroidissant de l'eau à 253 K sous 500 MPa. Structure la plus complexe[6]. Densité env. 1,2
Glace VI Une glace tétragonale produite en refroidissant de l'eau liquide à 270 K sous 1,1 GPa. Présente la relaxation de Debye[7]. Densité env. 1,3
Glace VII Phase cubique simple. Position des atomes d'hydrogène désordonnée. Les liaisons hydrogène forment deux réseaux imbriqués. Relaxation de Debye. Densité env. 1,7
Glace VIII Une version plus ordonnée de la glace VII, où les atomes d'hydrogène occupent des positions fixes. Produite en refroidissant de la glace VII en dessous de −5 °C.
Glace IX Phase tétragonale. Produite graduellement à partir de glace III en la refroidissant de 208 K à 165 K, stable sous 140 K et pressions entre 200 MPa et 400 MPa. Densité 1,16 g/cm3.
Glace X Glace "Proton-ordered symmetric" à traduire. Produite à environ 70 GPa[8].
Glace XI Forme orthorhombique à basse température de la glace hexagonale. Elle est ferroélectrique. La glace XI est considérée comme la forme la plus stable de la glace Ih. La transformation naturelle est très lente. De la glace XI aurait été trouvée dans la glace de l'Antarctique âgée de 100 à 10 000 ans. Une étude, controversée[9] suggère que cette glace XI se formerait dès en dessous de −36 °C[10], bien au-dessus de sa température de fusion de -192°C.
Glace XII Une phase tétragonale, métastable. Elle est observée dans l'espace de phase des glaces V et VI. Elle peut être produite en chauffant de la glace amorphe à haute densité de 77 K à 183 K sous 810 MPa. Densité env. 1,3 g/cm3 at 127 K.
Glace XIII Phase monoclinique. produite en refroidissant l'eau à 130 K sous 500 MPa). Forme "proton-ordrée" de la glace V[11].
Glace XIV Phase orthorhombique. Produite sous 118 K à 1,2 GPa). Forme "proton-ordrée" de la glace XII.
Glace XV Forme "proton-ordrée" de la glace VI produite en refroidissant l'eau entre 80 K et 108 K sous 1,1 GPa)
Glace XVI clathrate vide obtenu artificiellement en 2014, densité = 0.85[12]

Propriétés physiques de la glace ordinaire (Ih)[modifier | modifier le code]

Roseaux pris dans la glace à proximité d'une serre froide. En cas de froid intense, les agriculteurs pulvérisent de l'eau sur la serre pour protéger les cultures en formant une sorte d'igloo.
Bloc de calcaire fracturé par le gel de l'eau incluse dans la roche microporeuse, ici photographié deux ans après l'exposition du bloc au gel, dans le nord de la France. Le gel participe ainsi aux processus d'érosion, mais aussi de production de sol par délitement de la roche.

La masse volumique de la glace est de 917 kg/m³ à °C, et son coefficient de dilatation linéaire est d'environ 9·10− 5/K, toujours à °C.

Une des particularités de la glace est de présenter une masse volumique plus faible que celle de l'eau liquide qui est d'environ 1 000 kg/m³ à °C et sous la pression atmosphérique. La glace flotte donc à la surface de l'eau liquide, phénomène inhabituel car pour la plupart des matériaux, c'est le phénomène inverse qui se produit.

Propriétés mécaniques[modifier | modifier le code]

Le coefficient de dilatation linéaire de la glace est environ 9·10− 5/K à °C. La compressibilité de la glace est de l'ordre de 12·10− 12/Pa.

La limite d'élasticité de la glace varie énormément suivant la qualité de la glace utilisée : 10 kPa pour la glace de glacier, 60 kPa pour de la glace artificielle.

Les valeurs admises pour le module d'Young de la glace se situent environ à 9,33 GPa (V. F. Petrenko, Physics of Ice)

Sa limite de plasticité est de 3,5 MPa (en compression). Le rapport limite de plasticité / limite d'élasticité de la glace, de 60 à 350, se range parmi les plus grands de tous les solides connus (environ 2 pour l'acier, et jusqu'à 10 pour le fer doux).

Une formule empirique permet de déterminer la pression supportable par une couche de glace ; si l'on considère H l'épaisseur de glace en centimètres, alors 4·H² donnera le nombre de kg par m² que la couche pourra supporter sans se briser.

Propriétés thermiques[modifier | modifier le code]

À °C, la chaleur latente de fusion de la glace est de 333 kJ·kg-1 et sa capacité thermique massique est de 2,06 kJ·kg-1·K-1 ; celle-ci n'est que la moitié de la capacité thermique massique de l'eau à °C (4,217 kJ·kg-1·K-1), et varie de façon quasi linéaire en fonction de la température (+0,17 %/K).

La conductivité thermique de la glace est de 2,1 W·m-1·K-1 à °C, et augmente avec l'abaissement de la température (pente de l'ordre de -0,57 %/K) ; elle est donc toujours bien supérieure à la conductivité thermique de l'eau à °C, égale à 0,55 W·m-1·K-1.

Glace à température ambiante[modifier | modifier le code]

En 2005, l'équipe coréenne de Heon Kang, de l'université de Séoul, a pu obtenir une glace d'eau à température ambiante (20 °C). Pour ce faire, un champ électrique est appliqué entre la pointe d'un microscope à effet tunnel et une surface d'or, où est disposé un film d'eau liquide, d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre.

Dans cette expérience, l'eau se transforme en glace car les dipôles électrostatiques des molécules d'eau s'alignent sur le champ électrique. L'intensité du champ électrique à laquelle ce changement apparait (106 V·m− 1) est mille fois moins importante que ce que les modèles prédisaient.

Malgré la très faible épaisseur de la couche d'eau utilisée, ce phénomène pourrait, d'après les auteurs, intervenir au sein de nuages d'orages ou de microfissures de roches, ainsi que dans des équipements nanotechnologiques.

Mélanges[modifier | modifier le code]

Fusion eutectique[modifier | modifier le code]

Diagramme de phase eau-sel à pression atmosphérique ; l'eutectique a une composition de sel de 0,2331 en masse (23,31 % de sel et 76,69 % d'eau en masse)

En hiver, les routes sont salées afin de faire fondre la glace. Plus rigoureusement, ce n'est pas la glace qui fond, mais un mélange binaire glace-sel.

Lorsque le sel NaCl (Na+, Cl) entre en contact avec la glace, les ions se dissocient et se réarrangent autour des molécule d'eau, car celles-ci sont polaires (H2δ+, Oδ−, ce qui permet de former un composé (H2O) (NaCl). Ce réarrangement nécessite seulement de petits mouvements des atomes, et se fait donc en phase solide.

Lors du salage, le sel (solide) est en excès. Il va donc se réarranger avec l'eau afin de créer une solution eutectique (~23 % en masse). La température de fusion d'un tel mélange est d'environ −21,6 °C. Le sel va donc permettre de faire fondre toute glace en contact si celle-ci n'a pas une température inférieur à −21,6 °C. En Russie, par exemple, par grand froid, l'ajout de sel sur les routes est complètement inefficace. Il faut donc trouver un autre moyen pour permettre de rendre les voies praticables.

Lorsque tout le sel solide s'est dilué dans la glace fondue, la phase liquide obtenue va continuer de faire fondre la glace en contact. La concentration en sel (limité à 23%m) va diminuer progressivement, jusqu'à atteindre un équilibre dicté par la température. Il est possible, à partir du diagramme de phase eau-sel, de déterminer cette concentration finale.


Le diagramme de phase suivant représente la température de fusion du mélange en fonction de la proportion eau-sel.

Histoire[modifier | modifier le code]

Les plus vieilles bâtisses que l'on connait ayant servi à conserver la glace datent d'il y a 4 000 ans et se trouvent en Mésopotamie. Ce sont des constructions en terre de forme conique inversée.

On retrouve des puits à neige ou puits à glace destinés au commerce de la glace et servant à la conservation de cette denrée partout à travers le monde : Espagne, Chine, Corée, Algérie, France, ... et qui sont apparus dès le XVIe siècle en ce qui concerne l'Europe. Ces grands bâtiments pouvaient conserver de la glace toute l'année afin de fournir les villes et villages les plus proches. En effet, dès la Renaissance, grâce à une période prospère tant au niveau économique que politique, des échanges interculturels entre France, Italie et Espagne ont permis la redécouverte de ce produit. La glace servait à confectionner des crèmes glacées, rafraîchir boissons et aliments, conserver les denrées, ... et même prescrite par les médecins pour calmer douleurs, fièvres, anesthésier, etc. Les « glacières » ont été exploitées jusqu'à la fin du XIXe s., c'est-à-dire jusqu'à l'apparition des usines de fabrication de glace permettant de produire la glace industriellement, au jour le jour, sans l'aléa des saisons.

Laboratoire[modifier | modifier le code]

Quelques laboratoires étudient spécifiquement la glace :

  • L'Antiicing Material International Laboratory (AMIL)[13],
  • Le Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement (LGGE) à Grenoble[14].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. http://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/20111124.OBS5274/l-eau-peut-etre-liquide-jusqu-a-48-c.html
  2. (en) Benjamin J. Murray, « Formation and stability of cubic ice in water droplets », Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 8, no 1,‎ 2006, p. 186–192 (PMID 16482260, DOI 10.1039/b513480c, Bibcode 2006PCCP....8..186M, lire en ligne)
  3. (en) Benjamin J. Murray, « The Enhanced formation of cubic ice in aqueous organic acid droplets », Environmental Research Letters, vol. 3,‎ 2008, p. 025008 (DOI 10.1088/1748-9326/3/2/025008, Bibcode 2008ERL.....3b5008M, lire en ligne)
  4. (en) Benjamin J. Murray, « The formation of cubic ice under conditions relevant to Earth’s atmosphere », Nature, vol. 434, no 7030,‎ 2005, p. 202–205 (PMID 15758996, DOI 10.1038/nature03403, Bibcode 2005Natur.434..202M)
  5. (en) Chaplin, Martin, « Ice-four (Ice IV) », Water Structure and Science, London South Bank University,‎ 10 avril 2012 (consulté le 30 juillet 2012)
  6. (en) Chaplin, Martin, « Ice-five (Ice V) », Water Structure and Science, London South Bank University,‎ 10 avril 2012 (consulté le 30 juillet 2012)
  7. (en) Chaplin, Martin, « Ice-six (Ice VI) », Water Structure and Science, London South Bank University,‎ 10 avril 2012 (consulté le 30 juillet 2012)
  8. (en) Chaplin, Martin, « Ice-seven (Ice VII) », Water Structure and Science, London South Bank University,‎ 10 avril 2012 (consulté le 30 juillet 2012)
  9. A. D. Fortes, I. G. Wood, D. Grigoriev, M. Alfredsson, S. Kipfstuhl, K. S. Knight and R. I. Smith, No evidence for large-scale proton ordering in Antarctic ice from powder neutron diffraction, J. Chem. Phys. 120 (2004) 11376.
  10. (en) Chaplin, Martin, « Hexagonal Ice (Ice Ih) », Water Structure and Science, London South Bank University,‎ 10 avril 2012 (consulté le 30 juillet 2012)
  11. (en) Chaplin, Martin, « Ice-twelve (Ice XII) », Water Structure and Science, London South Bank University,‎ 10 avril 2012 (consulté le 30 juillet 2012)
  12. (en) A. Falenty, « Formation and properties of ice XVI obtained by emptying a type sII clathrate hydrate », Nature, vol. 516, no 7530,‎ 2014, p. 231–233 (DOI 10.1038/nature14014)
  13. LIMA-AMIL
  14. Laboratoire de glaciologie et de géophysique de l'environnement

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Eun-Mi Choi, Young-Hwan Yoon, Sangyoub Lee, Heon Kang, « Freezing Transition of Interfacial Water at Room Temperature under Electric Fields », Physical Review Letters, n° 95, août 2005.
  • Ada Acovitsioti-Hameau, « L'artisanat de la Glace en Méditerranée Occidentale », supplément n° 1 au Cahier de l'ASER, troisième édition, 120 pages, 2001.
  • Textes réunis par Ada Acovitsioti-Hameau, « De Neiges en Glaces... », Actes de la première rencontre internationale sur le commerce et l'artisanat de la glace (Brignoles 1994), supplément n° 5 au Cahier de l'ASER, 230 pages, 28 articles, 1996.
  • Ada Acovitsioti-Hameau, Maxime Duminil et Cédric Rey, « Génies Givrés : les inventeurs du froid artificiel », supplément n° 9 au Cahier de l'ASER, 106 pages, 2003.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]