Quelle liaison invisible fait flotter la glace et retarde l'ébullition de l'eau ?

La liaison hydrogène. Elle se forme quand un atome d'hydrogène, déjà lié à un atome électronégatif, est aussi attiré par un doublet non liant d'un autre atome électronégatif voisin. Elle est plus faible qu'une liaison covalente ou ionique, mais plus forte que les forces de van der Waals, et l'eau est particulièrement douée pour en former. Quand l'eau gèle, ces liaisons rangent ses molécules en une structure ouverte, moins dense que le liquide : la glace flotte. Et comme il faut en rompre un très grand nombre, l'eau bout à une température étonnamment élevée pour une molécule aussi petite et légère.

L'eau est particulièrement douée pour former ce type de liaisons. Son atome d'oxygène a deux lots de doublets non-liants et deux atomes d'hydrogène, ce qui fait que chaque molécule d'eau peut se lier à jusqu'à quatre voisines à la fois. Dans l'eau liquide, ce réseau bouge sans arrêt : une liaison hydrogène entre deux molécules d'eau ne dure en moyenne qu'environ 10 picosecondes. Mais dans la glace, la liaison hydrogène affecte fortement la structure cristalline, verrouillant les molécules dans un réseau hexagonal ouvert. Comme ce réseau espace davantage les molécules que dans l'eau liquide, la densité de la glace finit par être plus basse que celle de l'eau liquide à la même température, et le solide flotte tout simplement, contrairement à la plupart des autres substances, où le solide est plus dense et coule.

Cette même liaison explique pourquoi l'eau a un point d'ébullition, un point de fusion et une viscosité si élevés par rapport à des liquides semblables : rompre toutes ces liaisons entre molécules demande une vraie dépense d'énergie. L'idée s'est construite en quelques années. Linus Pauling a attribué à T. S. Moore et T. F. Winmill la première mention d'une liaison hydrogène, en 1912, tandis que la description de la liaison hydrogène dans l'eau est venue en 1920 de Latimer et Rodebush, qui citaient les travaux non publiés de leur collègue Maurice Loyal Huggins sur « un noyau d'hydrogène maintenu entre deux atomes ». Cette même liaison faible s'est révélée relier les deux brins de l'ADN.