Introduction à la Chimie des Eaux, Cycle de l'Eau et Chimie du Sol PDF

INTRODUCTION AU CHIMIE DES EAUX. CHEMICAL AND Understanding the Unique PHYSICAL PROPERTIES OF Characteristics of WATER H2O  INTRODUCTION TO WATER Definition of water (H2O) L’eau est la substance chimique de formule chimique H2O, une...

INTRODUCTION AU CHIMIE DES EAUX. CHEMICAL AND Understanding the Unique PHYSICAL PROPERTIES OF Characteristics of WATER H2O  INTRODUCTION TO WATER Definition of water (H2O) L’eau est la substance chimique de formule chimique H2O, une molécule d’eau a deux atomes d’hydrogène liés de manière covalente à un seul atome d’oxygène. De plus, l'eau gèle à 32°F et bout à 212°F. Cela indique une autre caractéristique du composé: la présence d'une substance chimique. Cela indique une autre caractéristique du composé : un composé pur a un point de congélation et un point d'ébullition bien définis  INTRODUCTION TO WATER Imoportance of water for earth Nous avons besoin d’eau pour presque tout boire, se laver, cuisiner La majeure partie de la terre est recouverte d’eau de l’espace la représentera en bleu  65 % du corps humain est composé d’eau Il forme un solvant majeur et dissout presque tous les solutés polaires  CHEMICAL PROPERTIES OF WATER En revanche, un mélange varie en fonction du nombre d'ingrédients qu'il contient. Un mélange de sable et de sel, par exemple, peut contenir un peu de sel et une grande quantité de sable. Ou bien il peut être un mélange d'une grande quantité de sel et de sable. Aucun rapport exact entre les substances n'est nécessaire pour constituer un mélange. En même temps, les ingrédients d'un mélange conservent leurs propriétés essentielles. Le sel a toujours un goût salé ; le sable continue à être granuleux. Les propriétés du mélange sont simplement la somme des propriétés distinctes du sel et 2 du sable. Dans ce mélange de sel et de sable, les ingrédients d'origine pourraient être récupérés par un processus mécanique. Enfin, un mélange peut présenter des proportions variables de ses ingrédients dans différentes parties de l'échantillon. Il peut y avoir plus de sel que de sable au fond et moins au sommet d'un mélange. En un mot, les mélanges sont généralement hétérogènes. CHEMICAL PROPERTIES OF WATER COMPOSITION DES EAUX A. Matières insolubles : Il s’agit de l’ensemble des matières solides que l’eau rencontre au cours de son cheminement et qu’elle transporte sans dissolution jusqu’au point de soutirage. Matières organiques : la décomposition des végétaux, pollution due au rejet industrielle Matières solides : débris de roche, sable, boue, argile, matières végétales, « rouilles »…) et elles se rencontrent aussi bien dans les eaux de forage que sur les eaux de distribution publique Matières colloïdales en suspension : d’huiles minérales, de suies, d’argile colloïdale… (emulsion ni solide ni dissous) Matières vivantes : champignons, algues, bactéries… COMPOSITION DES EAUX B. Matières gazeuses : Les principaux gaz rencontrés dans l’eau sont l’azote N2 - l’oxygène O2 - le gaz carbonique CO2 Ils sont présents dans l’eau sous deux formes : - libre en tant que gaz dans l’eau - dissoute C. Matière dissoutes : L’ensemble des corps minéraux peut se dissoudre dans l’eau. Néanmoins la solubilité d’un corps donné est limité à un seuil, appelé seuil de solubilité, variable en fonction de la température et de la pression du milieu. Les quantités de produit rajoutées à l’eau au-delà du seuil de solubilité ne sont plus dissoutes mais précipitées sous forme solide. Pour les sels minéraux (sulfates, chlorures, oxydes…) cette destruction conduit à une véritable dissociation du sel qui se retrouve dans l’eau sous forme d’ions chargés électriquement. COMPOSITION DES EAUX La dissociation électrique d’un sel, ou ionisation, met en œuvre autant d’ions chargés positivement appelés cations que d’ions négatifs appelés anions. ne solution aqueuse s’obtient en dissolvant un ou plusieurs solutés(*) dans de l’eau qui constitue le solvant(*). La dissolution est un phénomène limité : au-delà d’une certaine quantité ajoutée, le soluté ne se dissout plus ; on dit alors que la solution est saturée. La conductivité électrique d’une solution aqueuse est due à la présence d’ions. L’eau pure a une conductivité électrique très faible. Un électrolyte est un composé qui, mis en solution dans un solvant, ici l’eau, en accroît la conductivité électrique. Le chlorure de sodium et le chlorure d’hydrogène sont des électrolytes : leurs solutions contiennent des ions et constituent des solutions électrolytiques COMPOSITION DES EAUX  COMPOSITION DES EAUX L’eau : solvant ionisant, solvatant et dispersant La molécule d’eau est coudée. L’atome d’oxygène étant plus électronégatif que celui d’hydrogène, la molécule d’eau est polaire; son moment dipolaire est élevé : p(H2O) = 1,85 D(**) à 20 °C (doc. 2). L’eau possède également une constante diélectrique élevée, à 20 °C : er ≈ 80 ; cela signifie, par exemple, que la force électrostatique entre un anion et un cation est environ 80 fois plus faible dans l’eau que dans le vide (doc. 3). Structure de l’eau Dans l’eau, les ions s’entourent de molécules d’eau : on dit qu’ils sont solvatés ou, plus précisément ici, hydratés. Le nombre de molécules d’eau entourant un ion est d’autant plus élevé que celui-ci est petit et fortement chargé(***). En assimilant les molécules d’eau à des dipôles électrostatiques, il est possible d’in terpréter, comme nous l’avons vu en classe de Première :– la dissolution d’un solide ionique,– l’ionisation d’une molécule polaire dans l’eau  CHEMICAL PROPERTIES OF WATER 1. Amphoteric nature: L’eau peut agir à la fois comme acide et basique, ce qui signifie qu’elle est de nature amphotère. Example:  CHEMICAL PROPERTIES OF WATER 1. Amphoteric nature:  CHEMICAL PROPERTIES OF WATER 2. Redox reactions: Electropositive elements reduce water to hydrogen molecule. Thus, water is a great source of hydrogen. During the process of photosynthesis, water is oxidized to O2. As water can be oxidized and reduced, it is very useful in redox reactions.  CHEMICAL PROPERTIES OF WATER 3. Hydrolysis reaction Water has a very strong hydrating tendency due to its dielectric constant. It dissolves many ionic compounds. Some covalent and ionic compounds can be hydrolyzed in water PHYSICAL PROPERTIES OF WATER High specific heat capacity High heat of vaporization Cohesive and adhesive properties thermal conductivity, surface tension, dipole moment CHEMICAL PROPERTIES OF WATER QUESTIONS? These properties form the reason for its significance in the biosphere. Water is an excellent solvent and therefore it helps in the transportation of ions and molecules required for metabolism. It has a high latent heat of vaporization which helps in the regulation of body temperature. Open floor for any questions or discussion points Le cycle de l’eau et chimie de sol est soumis à plusieurs contrôles importants, notamment la consommation humaine, l’augmentation de la température et les changements dans l’utilisation des terres. Consommation humaine. Température. Élévation du niveau de la mer (Débit de la rivière, interactions dans le cycle hydrologique) Changements dans l’utilisation des terres. (la déforestation, Les cycles des éléments nutritifs sont fortement liés au cycle hydrologique) le cycle de l’eau contrôle fortement le cycle des éléments nutritifs en raison du transport des éléments nutritifs dans le ruissellement. Dans la prochaine section, nous examinerons le cycle de l’azote comme exemple d’un cycle global d’un nutriment important. (azote et carbon) la majeure partie de l’eau sur terre est bloquée dans des roches et indisponible. De l’eau qui est à la surface de la terre et disponible pour le cyclisme, seulement un très faible pourcentage est de l’eau douce. Environ 20 % de cette eau douce se trouve uniquement dans les Grands Lacs laurentiens en Amérique du Nord, et 20 % dans un seul lac en Sibérie, le lac Baïkal. LE CYCLE GLOBAL DE L’AZOTE le cycle de l’azote est différent du cycle de l’eau dans au moins un domaine important, qui est que les "formes" de l’azote sont plus variées que la forme de l’eau, qui est toujours H2O et sous forme liquide, gazeuse ou solide. Le cycle de l’azote est alors complexe en partie à cause des nombreuses formes chimiques de N telles que : Organique-N; NO3; NH4; et les gaz N2, N2O, NO + NO2 (=NOx). figure.VI.10, La figure.VI.9 donne un aperçu du cycle global de l’azote comptable Tout comme nous l’avons fait pour le cycle de l’eau, ou la première étape pour comprendre le cycle de l’azote consiste à examiner la distribution de l’azote sur la terre; la distribution de N en x1015 grammes. Notez que le plus grand réservoir de N disponible est dans l’atmosphère.  Roches et sédiments 190,400,120 (profond, non disponible)  Atmosphère 3 900 000 44  Océan 23 348  Sols 460  Plantes terrestres 14  animaux terrestres 0,2 Dans l’atmosphère :  N2 3 900 000  N2O 1,4 NOx 0,0006 (moins de 1 milliardième %) Les voies et les réactions impliquées dans le cycle de l’azote sont également plus compliquées que dans le cycle de l’eau en raison, encore une fois, du fait qu’il existe différentes formes chimiques. Les principales voies sont présentées à la figure.VI.10, et ces voies peuvent être liées à des réactions chimiques particulières énumérées ci dessous et illustrées à la figure.VI. 10. 1. N2 à N organique; appelé « N-fixation » (plantes et humains) 2. Organique-N à NH4+; "minéralisation" (par bactéries et champignons) 3. NH4+ à NO3- produisant NO et N2O; "nitrification" (par bactéries) 4. NO3- à N2, produisant du N2O; "dénitrification" (par des bactéries) 5. NO3 et NH4+ à N organique; « photosynthèse » (absorption par les plantes) Il y a beaucoup de "contrôles" sur le cycle global de l’azote, mais nous nous concentrerons sur les contrôles qui sont directement liés à un problème environnemental majeur sur terre, qui est les pluies acides. La figure VI.11 ci-dessous présente la façon générale dont les pluies acides se forment.  NOx - produit par la combustion de combustibles fossiles et par l’industrie. Important dans la formation des pluies acides. 1. NO + O3 (ozone) = NO2 2. NO2 + OH = HNO3 = "acide nitrique" 3. Dans l’eau, HNO3 se dissocie (se sépare) pour donner H+ et NO3- (notez que les charges doivent s’équilibrer, donc il y a un ion chargé positif et un négatif après la dissociation.) La deuxième réaction importante liée aux pluies acides est la formation d’acide sulfurique dans l’atmosphère. 1. H2SO4 se dissocie dans l’eau pour donner 2 H+ et SO42-. Les aspects importants de ces chiffres peuvent être résumés comme suit : La capacité tampon des sols est limitée par la quantité de "saturation de base" dans les sols. La saturation de base reflète la quantité de cations de base comme le calcium et le magnésium (chargé positivement) qui sont attachés aux grains minéraux dans les sols. Plus la saturation de base est élevée, plus le sol a une capacité tampon pour adsorber les ions H+. H+ est neutralisé par les réactions aux intempéries dans le sol et dans les plantes. H+ est un petit ion très réactif qui déplace d’autres éléments chargés positivement, comme les cations de base sur les argiles qui forment des grains minéraux dans le sol. Ainsi l’acide est neutralisé dans le sol, et les cations de base qui ont été échangés sont emportés hors du sol et dans les ruisseaux et les lacs. Résumé Le cycle des éléments est un aspect important du fonctionnement des écosystèmes. La plupart de nos problèmes environnementaux majeurs d’aujourd’hui impliquent des perturbations des cycles d’éléments critiques tels que l’eau, l’azote ou le carbone. Le cycle hydrologique est influencé ou contrôlé par la température, les changements dans l’utilisation des terres et la consommation humaine. Les pluies acides sont une conséquence importante des cycles de l’azote et du soufre. Les pluies acides sont produites par les interactions d’autres éléments dans l’atmosphère, et les impacts des pluies acides sont contrôlés par de nombreux autres cycles d’éléments sur terre et dans l’eau. LE CYCLE GLOBAL DE CARBON Le cycle de l’élément carbone est intimement lié à la vie sur terre. Le carbone est présent dans les molécules à base de carbone qui font partie intégrante de toutes les créatures vivantes, comme le dioxyde de carbone et le méthane dans l’atmosphère, dans les roches carbonatées dans la lithosphère et comme molécules organiques dans les sols et les sédiments qui sont dérivés de matériaux autrefois vivants. Les principaux réservoirs de carbone comprennent l’océan, les sédiments océaniques, les sols, le substrat rocheux, la végétation et l’atmosphère. Le carbone atmosphérique est devenu une priorité stratégique majeure en raison du rôle du dioxyde de carbone et du méthane comme gaz à effet de serre. La figure.VI.14, tirée du Groupe d’experts 49 intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), illustre l’importance des grands magasins et la façon dont ils sont reliés par des processus clés. Ce diagramme indique d’importantes perturbations anthropiques du cycle du carbone depuis 1750. Environ 90 % des rejets anthropiques de carbone proviennent de la combustion de combustibles fossiles, le reste étant attribuable aux changements dans l’utilisation des terres. Environ 24 % du CO2 anthropique rejeté dans l’atmosphère est absorbé par les océans et 26 % par les plantes. Les concentrations mondiales de CO2 sont passées de moins de 320 ppm en 1960 à environ 400 ppm à l’heure actuelle  le cycle du carbone terrestre : est dominé par l’absorption de CO2 de l’atmosphère par la photosynthèse des plantes. Le carbone est recyclé relativement rapidement entre le sol, la végétation et l’atmosphèr (degradation de la matière organique) Le cycle du carbone océanique : Le carbone est contenu sous forme dissoute dans les eaux et dans les tissus des organismes marins. Les principaux apports et extrants de carbone des océans sont l’échange de gaz avec l’atmosphère, mais il y a aussi un apport important de carbone organique et d’ions carbonatés provenant du ruissellement continental. Le Cycle du carbone atmosphérique : le carbone atmosphérique se présente sous deux formes principales, le dioxyde de carbone et le méthane CH4. Ce sont deux gaz à effet de serre, mais leur interaction dans l’atmosphère est différente. le cycle lent du carbone : L’expression cycle lent du carbone est parfois utilisée pour désigner le cycle du carbone entre les réserves rocheuses et l’atmosphère et l’océan par des processus d’altération sur de longues périodes (millions d’années). Dans les océans, le carbonate est utilisé par les organismes pour créer des coquilles. Lorsque les organismes meurent, ces coquilles de carbonate sont déposées sous forme de sédiments riches en carbonate et finalement lithifiées pour former du calcaire. Le carbone de ce stockage à long terme est retourné dans l’atmosphère par le volcanisme où le CO2 est libéré par les roches fondues qui ont été subdivisées aux limites des plaques. Résumé Le cycle des éléments est un aspect important du fonctionnement des écosystèmes. La plupart de nos problèmes environnementaux majeurs d’aujourd’hui impliquent des perturbations des cycles d’éléments critiques tels que l’eau, l’azote ou le carbone. Le cycle hydrologique est influencé ou contrôlé par la température, les changements dans l’utilisation des terres et la consommation humaine. Les pluies acides sont une conséquence importante des cycles de l’azote et du soufre. Les pluies acides sont produites par les interactions d’autres éléments dans l’atmosphère, et les impacts des pluies acides sont contrôlés par de nombreux autres cycles d’éléments sur terre et dans l’eau. Résumé Le cycle des éléments est un aspect important du fonctionnement des écosystèmes. La plupart de nos problèmes environnementaux majeurs d’aujourd’hui impliquent des perturbations des cycles d’éléments critiques tels que l’eau, l’azote ou le carbone. Le cycle hydrologique est influencé ou contrôlé par la température, les changements dans l’utilisation des terres et la consommation humaine. Les pluies acides sont une conséquence importante des cycles de l’azote et du soufre. Les pluies acides sont produites par les interactions d’autres éléments dans l’atmosphère, et les impacts des pluies acides sont contrôlés par de nombreux autres cycles d’éléments sur terre et dans l’eau. THANK FOR YOUR Melle, Rokia YOUCEF ATTENTION FGMGP, USTHB