Une molécule d'eau est la plus petite unité d'eau : un atome d'oxygène relié à deux atomes d'hydrogène, ce qui s'écrit H₂O. Elle mesure environ 0,28 nanomètre (280 picomètres) de diamètre, une mesure qui correspond à la place qu'occupe une molécule parmi ses voisines. Un nanomètre est un milliardième de mètre, et un picomètre est un millième de nanomètre.

Taille

Une molécule n'a pas de surface extérieure nette. Ses électrons forment un nuage qui s'estompe peu à peu, si bien que sa taille dépend de la façon dont on la mesure.

Les centres de ses trois atomes sont très rapprochés. Chaque atome d'hydrogène se trouve à environ 0,096 nanomètre de l'atome d'oxygène, et les deux liaisons forment entre elles un angle d'environ 104,5 degrés. Cet angle donne à la molécule une forme coudée, les deux atomes d'hydrogène étant séparés d'environ 0,15 nanomètre.

Le nuage électronique s'étend au-delà des centres des atomes, si bien que chaque molécule occupe plus de place que cela. Les scientifiques estiment souvent sa taille à partir de la manière plus ou moins serrée dont les molécules d'eau s'assemblent entre elles. Dans l'eau liquide, des mesures par diffraction des rayons X situent les centres des molécules voisines à 0,280 nanomètre l'une de l'autre. Une estimation courante dans les manuels, fondée sur le nombre de molécules que contient un litre d'eau, donne environ 0,3 nanomètre.

Comparaisons de taille

• Alignées côte à côte, environ 290 000 à 360 000 molécules d'eau couvriraient la largeur d'un cheveu, qui mesure de 0,08 à 0,1 millimètre de large.
• Si une molécule d'eau était agrandie à la taille d'une balle de tennis, un cheveu large de 0,1 millimètre mesurerait environ 24 kilomètres de large.
• Un atome de césium, l'un des plus grands atomes, mesure environ 0,5 nanomètre de diamètre, soit un peu moins du double de la largeur d'une molécule d'eau.

Pourquoi les molécules d'eau s'attirent entre elles

L'oxygène attire les électrons partagés plus fortement que l'hydrogène. Les électrons d'une molécule d'eau passent donc plus de temps près de l'atome d'oxygène. Cela donne une légère charge négative du côté de l'oxygène et une légère charge positive du côté des atomes d'hydrogène. Une molécule dont les charges sont ainsi séparées est dite polaire.

Les charges opposées s'attirent, si bien que chaque molécule d'eau attire ses voisines. Ces attractions sont appelées liaisons hydrogène. Elles maintiennent les molécules d'eau ensemble à la surface d'un liquide, ce qui donne à l'eau sa tension superficielle. C'est pourquoi l'eau forme des gouttes sur une surface sèche au lieu de s'étaler à plat.

Comment l'eau pénètre dans les cellules

L'eau traverse rapidement les membranes de nombreuses cellules grâce à des canaux protéiques appelés aquaporines. Peter Agre et ses collègues ont identifié le premier d'entre eux dans les membranes des globules rouges humains, et chaque globule rouge en compte environ 200 000. Agre a partagé le prix Nobel de chimie 2003 pour la découverte des canaux à eau.

À son point le plus étroit, le canal mesure 0,28 nanomètre de large, soit à peu près la taille d'une seule molécule d'eau. Les molécules d'eau le traversent donc en file indienne, à raison d'environ 3 milliards d'entre elles chaque seconde par canal. L'étroitesse de l'ouverture et une charge électrique à l'intérieur repoussent les protons, les particules chargées qui rendent un liquide acide. Dans les reins, les aquaporines aident à récupérer 99 % de l'eau filtrée hors du sang.

Sources

• Experimental data for H2O (Water). NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database.
• Benchmark oxygen-oxygen pair-distribution function of ambient water from x-ray diffraction measurements with a wide Q-range. Skinner et al., Journal of Chemical Physics, 2013.
• How big are biochemical nuts and bolts?. In Cell Biology by the Numbers, by Ron Milo and Rob Phillips. Garland Science, 2015.
• Inhibitors of Mammalian Aquaporin Water Channels. Abir-Awan et al., International Journal of Molecular Sciences, 2019.
• Aquaporin Water Channels. Nobel Lecture by Peter Agre, Nobel Foundation, 2003.
• The Nobel Prize in Chemistry 2003. Nobel Prize Outreach.
• Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
• Water. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.