piscine nucléaire avec radiation de cherenkov
Il y a l’eau, et il y a l’eau lourde. L’eau lourde reste de l’eau : liquide, buvable, transparente… c’est juste qu’elle pèse 10 % de plus ! Voyons pourquoi.

Déjà : l’eau est une molécule qui se note $\text{H}_2\text{O}$ : elle possède deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène. Ça n’explique rien, mais ça nous sera utile.

« Lourde ? »

L’hydrogène est l’élément le plus simple, constitué d’un proton et d’un électron.

Certains atomes d’hydrogène sont différents : ils ont un neutron en plus. C’est ce neutron qui ajoute de la masse à l’hydrogène et donc à l’eau.

Les éléments avec plus ou moins de neutrons sont appelés des isotopes. L’isotope de l’hydrogène est appelée deutérium — symbole $\text{D}$ ou $^2\text{H}$. Le deutérium est un atome stable qui possède globalement les mêmes propriétés chimiques que l’hydrogène (ce qui est normal car ça reste de l’hydrogène). Il peut donc se retrouver dans les molécules ordinaires, comme l’eau.

En formant une molécule d’eau avec deux atomes de deutérium, soit du $\text{D}_2\text{O}$, aussi appelée « oxyde de deutérium ». La molécule dans son ensemble possède deux neutrons en plus qu’une molécule normale et elle pèse donc plus lourd : on parle alors d’eau lourde. La différence en de masse par rapport à une molécule d’eau normale est d’environ 10 %.

Un neutron est minuscule, mais si la molécule pèse 10 % de plus, alors un litre d’eau lourde pèse également 10 % de plus. Un litre d’eau lourde pèse donc 1 100 grammes.

Cette différence est suffisante pour être visible : par exemple, un glaçon d’eau lourde coule dans de l’eau normale (alors que les glaçons normaux flottent).

Occurrence de l’eau lourde

Dans la nature, seulement 0,015 6 % de l’hydrogène est du deutérium. Statistiquement, une molécule d’eau sur 3 200 possède un atome de deutérium en remplacement d’un des hydrogènes. Beaucoup plus rare, une molécule d’eau sur 41 000 000 possède deux atomes de deutérium sur un oxygène.

Une molécule d’eau avec deux atomes de deutérium est ce qu’on appelle « eau lourde ». La molécule avec un seul deutérium est dite « eau semi-lourde ».

Des procédés existent pour extraire l’eau lourde à partir d’eau normale : la température d’ébullition de l’eau lourde est très légèrement supérieure à l’eau normale et on peut le distiller ainsi. On utilise aussi des systèmes de centrifugeuses.
Pour finir sur le deutérium et vous donner une idée, sachez que vous trouverez un peu moins de deux grammes d’eau semi-lourde dans un pack d’eau de source. Votre corps, constitué majoritairement d’eau, en contient également 5 à 10 grammes (mais seulement quelques milligrammes d’eau lourde) !

L’eau lourde, le $\text{D}_2\text{O}$ n’est pas un produit rare (tout est relatif) et on peut s’en procurer des échantillons. Il est utilisé dans le domaine médical (dans les IRM) et l’industrie nucléaire, pour sa capacité à ralentir les neutrons lors des réactions nucléaires de fission (un neutron plus lent ayant plus de probabilité de produire une fission). L’eau lourde est aussi un bon candidat comme combustible nucléaire pour les centrales à fusion.

Autres formes d’eau lourde, et eau super-lourde

De même qu’il existe des isotopes d’hydrogène, il existe des isotopes d’oxygène, eux aussi plus lourds que la normale : par exemple l’oxygène 18 avec deux neutrons supplémentaires.
Si on a deux hydrogènes normaux sur un atome de $^{18}\text{O}$, on obtient de l’eau lourde aussi, mais pas pour les mêmes raisons et elle est seulement désignée sous le nom « eau à oxygène lourd ».

Vous l’aurez compris : il est également de faire de l’eau super-lourde : avec deux atomes de deutérium sur un atome $^{18}\text{O}$. Cette molécule d’eau possède 4 neutrons supplémentaires et pèse 20 % de plus que l’eau normale.

Enfin, il se trouve que l’hydrogène a un second isotope naturel, beaucoup plus rare (et instable) : le tritium — symbole $\text{T}$ ou $^3\text{H}$ — avec deux neutrons en plus. Une molécule de $\text{T}_2\text{O}$ — l’oxyde de tritium — est 20 % plus lourde que l’eau normale, radioactive et rare.

Là aussi, il est imaginable d’avoir une molécule contenant un atome $^{18}\text{O}$ et deux atomes de tritium. Une telle molécule serait excessivement rare dans la nature : statistiquement, on a seulement une chance sur 50 milliards de milliard de milliard de la trouver (soit une seule molécule dans 2 000 litres d’eau). Elle a un excès de masse de 30 %

Contrairement à l’eau lourde classique, il est impensable de produire des quantités notables d’eau super-super-lourde avec du tritium et un isotope d’oxygène.

image du Oak Ridge National Laboratory

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

6 commentaires

gravatar
Pierre HEMMERLE wrote:

Bonjour,
Pourriez-vous nous communiquer avec haute précision la densité de l'eau lourde.
Merci

gravatar
DX wrote:

Bonjour,
Il n est pas exact de dire que l eau lourde est utilisée pour sa capacité à absorber les neutrons.
C est au contraire parce qu elle capture peu les neutrons en ayant en même temps la capacité de les ralentir qu elle est utilisée.
C est notamment son intérêt dans les réacteurs à uranium naturel.

gravatar
Le Hollandais Volant wrote:

@DX : en effet, je crois que j'ai mélangé les explications concernant les centrales à fission (où elle ralenti les neutrons pour les rendre plus efficaces) et celle pour les réactions de fusion.

gravatar
MDMD wrote:

Est-ce que Les fonds des océans possède plus eau lourde que la surface, à cause de la gravité.
Michel Dallaire

gravatar
Le Hollandais Volant wrote:

@MDMD : Très bonne question !
Mais je ne pense pas, non : il y a juste trop peu d’eau lourde au sein de la totalité de l’eau. Il y aurait eu un ratio de 50% d’eau lourde et 50% d’eau légère dans l’eau, j’aurais dit oui. Mais avec seulement un ratio de 1/41 000 000, c’est juste trop peu : l’eau lourde serait quoi qu’il arrive emportée par les courants marins.

Et même dans un verre d’eau au repos : le mouvement brownien (agitation naturelle des molécules) suffirait à mélanger les le peu d’eau lourde avec le reste de l’eau.

En revanche, le sel dans l’eau densifie l’eau : l’eau salée est nettement plus lourde que l’eau douce. Ce sont d’ailleurs ces différences de salinité qui, avec les différences de température, qui produisent les courants marins (on parle de circulation marine thermohaline). Et dans ce cas oui, l’eau au fond de l’océan est plus salée et plus froide que l’eau en surface.


Votre commentaire sera visible après validation par le webmaster.