Mars est la quatrième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la deuxième par masse et par taille croissantes. Son éloignement au Soleil est compris entre 1,381 et 1,666 UA, avec une période orbitale de 686,71 jours.

C’est une planète tellurique, comme le sont Mercure, Vénus et la Terre, environ dix fois moins massive que la Terre mais dix fois plus massive que la Lune. Sa topographie présente des analogies aussi bien avec la Lune, à travers ses cratères et ses bassins d'impact, qu'avec la Terre, avec des formations d'origine tectonique et climatique telles que des volcans, des rifts, des vallées, des mesas, des champs de dunes et des calottes polaires. La plus grande montagne du Système solaire, Olympus Mons (qui est aussi un volcan bouclier), et le plus grand canyon, Valles Marineris, se trouvent sur Mars.

Mars a aujourd'hui perdu la presque totalité de son activité géologique interne, et seuls des événements mineurs surviendraient encore épisodiquement à sa surface, tels que des glissements de terrain, sans doute des geysers de CO2 dans les régions polaires, peut-être des séismes, voire de rares éruptions volcaniques sous forme de petites coulées de lave.

La période de rotation de Mars est du même ordre que celle de la Terre, et son obliquité lui confère un cycle des saisons similaire à celui que nous connaissons ; ces saisons sont toutefois marquées par une excentricité orbitale cinq fois et demie plus élevée que celle de la Terre, d'où une asymétrie saisonnière sensiblement plus prononcée entre les deux hémisphères.

Mars peut être observée à l’œil nu, avec un éclat bien plus faible que celui de Vénus mais qui peut, lors d'oppositions rapprochées, dépasser l'éclat maximum de Jupiter, atteignant une magnitude apparente de -2,91, tandis que son diamètre apparent varie de 25,1 à 3,5 secondes d'arc selon que sa distance à la Terre varie de 55,7 à 401,3 millions de kilomètres. Mars a toujours été caractérisée visuellement par sa couleur rouge, due à l'abondance de l'hématite amorphe — oxyde de fer(III) — à sa surface. C'est ce qui l'a fait associer à la guerre depuis l'Antiquité, d'où son nom en Occident d'après le dieu Mars de la guerre dans la mythologie romaine, assimilé au dieu Arès de la mythologie grecque. En français, Mars est souvent surnommée « la planète rouge » en raison de cette couleur particulière.

Avant le survol de Mars par Mariner 4 en 1965, on pensait qu'il s'y trouvait de l'eau liquide en surface et que des formes de vie similaires à celles existant sur Terre pouvaient s'y être développées, thème très fécond en science fiction. Les variations saisonnières d'albédo à la surface de la planète étaient attribuées à de la végétation, tandis que des formations rectilignes perçues dans les lunettes astronomiques et les télescopes de l'époque étaient interprétées, notamment par l'astronome amateur américain Percival Lowell, comme des canaux d'irrigation traversant des étendues désertiques avec de l'eau issue des calottes polaires. Toutes ces spéculations ont été balayées par les sondes spatiales qui ont étudié Mars : dès 1965, Mariner 4 permit de découvrir une planète dépourvue de champ magnétique global, avec une surface cratérisée rappelant celle de la Lune, et une atmosphère ténue.

Depuis lors, Mars fait l'objet de programmes d'exploration plus ambitieux que pour aucun autre objet du Système solaire : de tous les astres que nous connaissons, c'est en effet celui qui présente l'environnement différant le moins de celui de notre planète. Cette exploration intensive nous a apporté une bien meilleure compréhension de l'histoire géologique martienne, révélant notamment l'existence d'une époque reculée — le Noachien — où les conditions en surface devaient être assez similaires à celles de la Terre à la même époque, avec la présence de grandes quantités d'eau liquide ; la sonde Phoenix a ainsi découvert en été 2008 de la glace d'eau à une faible profondeur dans le sol de Vastitas Borealis.

Enfin, Mars possède deux petits satellites naturels, Phobos et Deimos.

Physique

Propriétés

La température de vaporisation de l'eau dépend directement de la pression atmosphérique comme le montrent ces formules empiriques :

Pression normalisée dans la troposphère (0–11 km) :Point d'ébullition :

Son point d'ébullition est élevé par rapport à un liquide de poids moléculaire égal. Ceci est dû au fait qu'il faut rompre jusqu'à 3 liaisons hydrogènes avant que la molécule d'eau puisse s'évaporer. Par exemple, au sommet de l'Everest, l'eau bout à environ 68 °C, à comparer aux 100 °C au niveau de la mer. Réciproquement, les eaux profondes de l'océan près des courants géothermiques (volcans sous-marins par exemple) peuvent atteindre des températures de centaines de degré et rester liquides.

Référence dans le système métrique

Référence massique

À l’origine, un décimètre cube (litre) d’eau définissait une masse de un kilogramme (kg). L’eau avait été choisie car elle est simple à trouver et à distiller. Dans notre système actuel de mesure – le système international d’unités (SI) – cette définition de la masse n’est plus valable depuis 1889, date à laquelle la première Conférence générale des poids et mesures définit le kilogramme comme la masse d’un prototype de platine iridié conservé à Sèvres. Aujourd’hui à 4 °C, la masse volumique est de 0,99995 kg⋅dm-3. Cette correspondance reste donc une excellente approximation pour tous les besoins de la vie courante.

Référence de température

Le système centigrade (à ne pas confondre avec le degré Celsius, ci-dessous) fixe le degré 0 sur la température de la glace fondante et définit comme degré 100 la température de l’eau en ébullition sous pression atmosphérique normale. L’échelle est ensuite divisée en 100°. C’est ainsi que la température du corps humain est en moyenne de 37°.

Le système Fahrenheit fixe le point de solidification de l’eau à 32 °F et son point d’ébullition à 212 °F.

Le kelvin est une mesure absolue de température thermodynamique qui est égale à 1/273,16 fois la température du point triple de l’eau.

Le système Celsius est défini arbitrairement par une translation de 273,15 K par rapport au kelvin, pour se rapprocher au plus près du degré centigrade.

Référence de densité

Utilisations

En quantité, l’activité humaine qui consomme le plus d’eau traitée est l’agriculture, avec 68 % de la consommation, viennent ensuite la consommation humaine (24 %), l'industrie (5 %) et la production d'énergie (3 %).

D'un point de vue économique, le secteur de l'eau est généralement considéré comme partie prenante du secteur primaire car il s'agit de l'exploitation d'une ressource naturelle, et il même parfois agrégé au secteur agricole.

Agriculture

L’agriculture est le premier secteur de consommation d’eau, notamment pour l’irrigation. En France, 68 % de l’eau sert à l’agriculture. Le reste est utilisé pour l'eau potable des particuliers (24%), l'industrie (5%) et l'énergie (3%).

Industrie

L’eau est aussi utilisée dans beaucoup de processus industriels et de machines, tels que la turbine à vapeur ou l’échangeur de chaleur : on peut ajouter à cela son utilisation comme solvant chimique. Le rejet d’eau utilisée dans l’industrie et non traitée, provoque des pollutions. La pollution inclut les rejets de solutions (pollution chimique) et les rejets d’eau de refroidissement (pollution thermique). L’industrie a besoin d’eau pure pour de multiples applications, et elle utilise une grande variété de techniques de purification à la fois pour l’apport et le rejet de l’eau.

Lutte contre les incendies

C’est parce que les combustibles se combinent avec l’oxygène de l’air qu’il brûlent et dégagent de la chaleur. L’eau ne peut pas brûler, puisqu’elle est déjà le résultat d’une combustion : celle de l’hydrogène avec l’oxygène.

Elle éteint le feu pour deux raisons, la première étant que lorsqu’un objet est recouvert d’eau, l’oxygène de l’air ne peut pas parvenir jusqu’à lui et activer sa combustion ; la seconde, et c’est la principale, est que l’eau peut absorber et retenir une grande quantité de chaleur lorsqu’elle se vaporise. De ce fait, la température de l’objet qui brûle s’abaisse au-dessous de son point d’ignition.

L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.

L’eau se trouve en général dans son état liquide et possède à température ambiante des propriétés uniques : c’est notamment un solvant efficace pour la plupart des corps solides trouvés sur Terre — l’eau est quelque fois désignée sous le nom de « solvant universel ».

Généralités

Le corps humain est composé à 65 % d’eau pour un adulte, à 75 % chez les nourrissons et à 94 % chez les embryons de 3 jours. Les animaux sont composés en moyenne de 60% d'eau et les végétaux à 75%. On retrouve néanmoins des extrêmes : la méduse (98%) et la graine (10%) .

La formule chimique de l’eau pure est H2O. L’eau « courante » est une solution d'eau et de différents sels minéraux ou d'autres adjuvants. Pour cette raison, l’eau qu’on trouve sur Terre n’est qu’exceptionnellement un composé chimique pur. Les chimistes utilisent de l'eau distillée pour leurs solutions, cette eau étant pure à 99 %, il s'agit d'une solution aqueuse.

L'expression « solvant universel » est sujette à maintes précautions, les cailloux (les roches) étant, par exemple, non solubles dans l'eau dans la plupart des cas (ou de manière infime).

Près de 70 % de la surface de la Terre est recouverte d’eau (97 % d’eau salée et 3 % d’eau douce dans différents réservoirs), essentiellement sous forme d’océans mais l’eau est aussi présente sous forme gazeuse (vapeur d’eau), liquide et solide. Ailleurs que dans les zones humides plus ou moins tourbeuses ou marécageuses, dans les mers et océans, l'eau est présente dans les lagunes, lacs, étangs, mares, fleuves, rivières, ruisseaux, canaux, réseaux de fossés ou de watringues… ou comme eau interstitielle du sol.

La circulation de l’eau au sein des différents compartiments terrestres est décrite par le cycle de l'eau. En tant que composé essentiel à la vie, l’eau a une grande importance pour l'Homme (voir géopolitique de l'eau pour plus de détails). Source de vie et objet de culte depuis les origines de l'homme, l'eau est conjointement, dans les sociétés d'abondance comme la France, un produit de l'économie et un élément majeur de l'environnement.

Étymologie et usage du mot

Le terme eau dérive du latin aqua via les langues d'oïl comme par exemple les mots ewes[6]. Le terme aqua a été ensuite repris pour former quelques mots comme aquarium. Un mélange aqueux est un mélange dont le solvant est l'eau. Le préfixe hydro dérive quant à lui du grec ancien ὕδωρ (hudôr) et non pas de ὕδρος (hudros) lequel signifie « serpent à eau ».

Par eau, on comprend souvent liquide incolore constitué à majorité d'eau, et pas simplement l'eau pure. Suivant sa composition chimique qui induit son origine ou son usage, on précise :

eau minérale, eau de Seltz, eau de source, eau de mer, eau douce, eau potable, eau de pluie, eau du robinet, eau de table, eau gazeuse, eau plate…

En chimie, on parle d'eau lourde, eau dure, eau distillée.

Pour un usage plus ancien, on parle de l'eau-forte pour l’acide nitrique dilué, de l'eau régale pour un mélange d'acides qui dissout l'or mais aussi l'eau-de-vie, de l'éthanol dilué d'eau potable.

Une femme perd ses eaux avant l'accouchement.

La chimie est une science exacte de la nature. Elle est divisée en plusieurs spécialités expérimentales et théoriques à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage parfois des espaces d'investigations communs ou proches.

Selon l'American Chemical Society, la plus grande association de chimistes au monde, la chimie étudie :

1. les éléments chimiques à l'état libre, atomes ou ions atomiques, et les innombrables et diverses associations par liaisons chimiques qui engendrent notamment des composés moléculaires stables ou des intermédiaires plus ou moins instables. Ces entités de matière peuvent être caractérisées par une identité reliée à des caractéristiques quantiques et des propriétés précises ;

2. les processus qui changent ou modifient l'identité de ces particules ou molécules de matière, dénommés réaction, transformation, interaction... ;

3. les mécanismes intervenant dans les processus chimiques ou les équilibres physiques entre deux formes. Leurs définitions précises permettent de comprendre ou d'interpréter avec des hypothèses l'évolution matérielle avec en vue une exploitation des résultats de façon directe ou induite ;

4. les phénomènes fondamentaux observables en rapport avec les forces de la nature qui jouent un rôle chimique, favorisant les réactions ou synthèse, addition, combinaison ou décomposition, séparation de phases ou extraction. L'analyse permet de découvrir les compositions, le marquage sélectif ouvre la voie à un schéma réactionnel cohérent dans des mélanges complexes.

La taille des entités chimiques varie des simples atomes ou molécules nanométriques aux édifices moléculaires de plusieurs dizaines de milliers d'atomes dans les macromolécules, l'ADN ou protéines de la matière vivante (infra)micrométrique, jusqu'à des dimensions parfois macroscopiques des cristaux. En incluant l'électron libre composant des réactions radicalaires, les dimensions des principaux domaines d'application se situent globalement entre le femtomètre (10-15 m) et le micromètre (10-6 m)

L'étude du monde à l'échelle moléculaire soumise paradoxalement à des lois singulières, comme le prouvent les récents développements nanotechnologiques, permet de mieux comprendre les détails de notre monde macroscopique. La chimie est qualifiée de « science centrale » en raison des puissants liens qu'elle possède avec la biologie et la physique, ainsi qu'avec la médecine, la pharmacie, l'informatique et la science des matériaux, sans oublier des domaines appliqués tels que le génie des procédés.

La physique et surtout son instrumentation sont devenus hégémoniques après 1950 dans le champ de la science de la matière. Les avancées en physique ont surtout refondé en partie la chimie physique et la chimie inorganique. La chimie organique par l'intermédiaire de la biochimie a partagé des recherches valorisant la biologie. Mais la chimie n'en garde pas moins une place incontournable et légitime dans le champ des sciences exactes : elle fournit des produits, découvre ou invente des structures moléculaires qui bénéficient de façon extraordinaire à la recherche physique ou biologique. Enfin, il ne faut pas déconsidérer l'héritage cohérent que les chimistes défenseurs marginaux des structures atomiques ont légués à la révolution des conceptions physiciennes au tout début du XXe siècle.

Étymologie et Histoire

Étymologie

Le terme chimie nous vient du mot arabe الكيمياء al kemi, c'est-à-dire alchimie, littéralement la kemia, la chimie. Al kem signifie aujourd'hui en arabe la quantité, attestant que la chimie passe par une précoce approche quantitative de la matière, couvrant indistinctement le champ des premiers procédés chimiques comme celui du dosage en pharmacopée.

L'alchimie avant de s'égarer parfois dans une quête philosophale ou une théorisation absconse prend sa source dans un savoir précurseur de la chimie égyptienne, déformé et emprunté par les mondes hellénistiques et byzantins, puis préservé dans le monde musulman.

Khem(et) désigne la terre pour les anciens égyptiens. La chimie est l'art de la terre et le savoir sur la terre. Elle a connu différents essors entre 6000 et 2000 ans avant l'ère chrétienne.

Trois étymologies sont fréquemment citées, mais ces hypothèses peuvent être reliées :

l'une égyptienne, kemi viendrait de l'ancien égyptien Khemet, la terre. Il se retrouve aussi dans le copte chame « noire » puisque dans la vallée du Nil, la terre est noire. L'art de la kemi, par exemple les poisons minéraux, a pu influencer la magie noire. La terre d'Égypte elle-même aurait été fort anciennement une terre conquise par des peuples noirs ;

la racine grecque se lie à χυμεία, khumeia, « mélange de liquides » (χυμός, khumos, « suc, jus ») ;

enfin, certains étymologistes assurent que le mot arabe kemia, vient du grec χεμεία, khemeia, qui signifie « magie noire » venant de l'égyptien ancien kem qui désigne la couleur noire.

Les origines

La distillation fractionnée sert à séparer des corps chimiques de différentes volatilités. Le recueil méticuleux de phases vapeur semble l'une des plus anciennes opérations chimiques connues.

L'art d'employer ou de trier, préparer, purifier, de transformer les substances séchées mises sous forme de poudres, qu'elles proviennent du désert ou de vallées sèches a donné naissance à des codifications savantes. Elles sont d'abord essentiellement minérales. Mais les plantes éphémères et les arbres pérennes du désert, et leurs extraits gommeux ou liquides nécessaires aux onguents, ont été très vite assimilés à celles-ci, par reconnaissance de l'influence des terres et des roches.

Outre la connaissance du cycle de l'eau et les transports sédimentaires, la progressive maîtrise des métaux et des terres, les Anciens Egyptiens connaissent le plâtre, le verre, la potasse, les vernis, le papier (papyrus durci à l'amidon), l'encens, une vaste gamme de couleurs minérales ou pigments, de remèdes et de produits cosmétiques... Plus encore que les huiles à onction ou les bains d'eaux ou de boues relaxant ou guérisseurs, la chimie est un savoir sacré qui permet la survie, par exemple par l'art sophistiqué d'embaumer ou par le placement des corps des plus humbles dans un endroit sec.

L'art de la terre égyptien a été enseigné en préservant une conception unitaire. Les temples et les administrations religieuses ont préservé et parfois figé le meilleur des savoirs. Le pouvoir politique souverain s'est appuyé sur les mesures physiques, arpentage et hauteur hydraulique des crues, peut-être sur la densité du limon en suspension, pour déterminer l'impôt et sur les matériaux permettant les déplacements ou la mobilité des armées. Le vitalisme ou les cultes agraires et animaux, domaines appliqués de la kemia, ont été préservés dans des temples, à l'instar d'Ammon, conservatoire des fumures azotées et de la chimie ammoniacale antique.

Nos repères de pensée taxonomique sont profondément influencés par les civilisations grecques puis hellénistiques, férues de théorisations, qui ont lentement esquissé de façon sommaire ce qui encadre aux yeux profanes la chimie, la physique et la biologie. Elles ont laissé les techniques vulgaires au monde du travail et de l'esclave. L'émergence de spiritualités populaires, annexant l'utile à des cultes hérmétiques, a promu et malaxé ses bribes de savoirs dispersés. Il est d'ailleurs significatif que les premiers textes datés tardivement du Ier siècle et IIe siècle siècle après Jésus-Christ qui nous soient parvenu comportent à l'exemple de l'alchimie médiévale la plus ésotérique, une partie mystique et une partie opératoire[6]. La religiosité hellénistique nous a ainsi légué aussi bien le bain marie, de Marie la Juive que l'abscon patronage d'Hermès Trismégiste, divinité qui prétendait expliquer à la fois le mouvement et la stabilité de toute chose humaine, terrestre ou céleste.

Composition et structure

La Terre est une planète tellurique, c'est-à-dire une planète essentiellement rocheuse à noyau métallique, contrairement aux géantes gazeuses, telles que Jupiter, essentiellement constituées de gaz légers (hydrogène et hélium).

Il s'agit de la plus grande des quatre planètes telluriques du système solaire, que ce soit en termes de taille ou de masse. De ces quatre planètes, la Terre a aussi la masse volumique globale la plus élevée, la plus forte gravité de surface et le plus puissant champ magnétique global. Cependant, plusieurs planètes telluriques plus grandes que la Terre ont été découvertes en dehors du système solaire, parmi lesquelles l'exoplanète Gliese 581 c, qui possède un diamètre 50 % supérieur à celui de la Terre. Plusieurs missions sont en cours, ou prévues, afin de découvrir de nouvelles planètes similaires à la Terre, appelées exoterres.

La surface externe de la Terre est divisée en plusieurs segments rigides, ou plaques tectoniques, qui se déplacent lentement sur la surface sur une durée de plusieurs millions d'années. Environ 71 % de la surface est couverte d'océans d'eau salée, les 29 % restants consistant en continents et îles. L'eau liquide, nécessaire à la vie telle que nous la connaissons, est très abondante sur Terre, et aucune autre planète n'a encore été découverte avec des étendues d'eau liquide (lacs, mers, océans) à sa surface.

Composition chimique

La masse de la Terre est d'approximativement 5,98×1024 kg. Elle est composée principalement de fer (32,1 %), d'oxygène (30,1 %), de silicium (15,1 %), de magnésium (19,9 %), de soufre (2,9 %), de nickel (1,8 %), de calcium (1,5 %) et d'aluminium (1,4 %), le 1,2 % restant consistant en de légères traces d'autres éléments. Les éléments les plus denses ayant tendance à se concentrer au centre de la Terre (phénomène de différenciation planétaire), on pense que le cœur de la Terre est composé majoritairement de fer (88,8 %), avec une plus petite quantité de nickel (5,8 %), de soufre (4,5 %) et moins de 1 % d'autres éléments.

Le géochimiste F. W. Clarke a calculé que 47 % (en poids) de la croûte terrestre est faite d'oxygène, présent principalement sous forme d'oxydes, dont les principaux sont les oxydes de silicium, aluminium, fer, calcium, magnésium, potassium et sodium. La silice est le constituant majeur de la croûte, sous forme de pyroxénoïdes, les minéraux les plus communs des roches magmatiques et métamorphiques. Après une synthèse basée sur l'analyse de 1 672 types de roches, Clarke a obtenu les pourcentages présentés ci-dessous.

Les différents pourcentages des oxydes

Silice (SiO2) 59,71 %

Oxyde d'aluminium (Al2O3) 15,41 %

Oxyde de calcium (CaO)4,90 %

Oxyde de magnésium (MgO) 4,36 %

Oxyde de sodium (Na2O) 3,55 %

Oxyde de fer (II) (FeO) 3,52 %

Oxyde de potassium (K2O) 2,80 %

Oxyde de fer (III) (Fe2O3) 2,63 %

Eau (H2O) 1,52 %

Dioxyde de titane (TiO2) 0,60 %

Pentoxyde de phosphore (P2O5) 0,22 %

Total 99,22 %