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INTRODUCTION L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde

INTRODUCTION L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un composé chimique simple, mais avec des propriétés complexes à cause de sa polarisation (voir Nature dipolaire de l’eau). Sa formule chimique est H2O, c'est-à-dire que chaque molécule d'eau se compose d'un atome d'oxygène entre deux atomes d'hydrogène, disposés en V très ouvert. L'eau lourde est un composé formé d'un atome d'oxygène et de deux atomes de deutérium, qui est un isotope de l'hydrogène (oxyde de deutérium, D2O). L’eau se trouve presque partout sur la terre et est un composé essentiel pour tous les organismes vivants connus. Le corps humain est ainsi composé à 70 % d'eau. Par construction des êtres vivants, l’eau est pour eux (sauf exception très notable) incolore, insipide, inodore, etc. A pression ambiante (environ un bar), l’eau est gazeuse au-dessus de 100°C, solide en dessous de 0°C, et liquide dans les conditions normales de température et de pression. C'est là une particularité essentielle : les autres composés proches ou apparentés, (sulfure d'hydrogène H2S, ammoniac NH3, et méthane CH4 par exemple), sont tous gazeux à des températures bien plus basses. Près de 70 % de la surface de la terre est recouverte d'eau (97 % d'eau salée et 3 % d'eau douce), essentiellement sous forme d'océans. Une étendue d'eau peut être un océan, une mer, un lac, un étang, un fleuve, une rivière, un ruisseau, un canal.... La circulation de l’eau au sein des différents compartiments terrestres est décrite par son cycle biogéochimique. Cours ½ module : ANALYSES ET TRAITEMENTS DES EAUX- S6 - 2021-2022 – Pr. Fatima. EL HILALI 2 PARTIE 1 : Généralités sur l’eau – Comment rendre l’eau potable I- L'eau : ses propriétés 1) Étymologie Le mot eau vient du latin aqua (qui a donné par exemple : aquarium). 2) Origine Selon la conception actuelle,  L'hydrogène est produit très tôt dans l'histoire de l'univers, c'est le premier atome formé (Cf. big bang)  L'oxygène est le produit un peu plus tardif de réaction de fusion thermonucléaire au sein de certaines étoiles.  Ces deux atomes se combinent au cours d'une réaction exothermique pour former l’eau.  Lorsque la Terre s'est formée, l’eau était une des molécules présentes en quantité importante (comme dans les météorites et comètes) 3) Propriétés Physique Diagramme de phase de l’eau, montrant l’état de l'eau pure en fonction de la température et de la pression Eau Général Formule brute H2O Apparence Liquide incolore Géométrie de la molécule d'eau Propriétés physiques Masse moléculaire 18 g.mol − 1 Températurede fusion 0°C (273,15 K) Températurede vaporisation 100°C (373,15 K) Densité 1 (liquide) Densité 0,913 (solide) Cours ½ module : ANALYSES ET TRAITEMENTS DES EAUX- S6 - 2021-2022 – Pr. Fatima. EL HILALI 3 Thermochimie ΔfH0 gas −241,5 kJ/mol ΔfH0 liquide −285,8 kJ/mol ΔfH0 solide N/A Cp pour l'eau liquide : 4,186 kJ/(kg·K) Cp pour l'eau solide : 2,060 kJ/(kg·K) Chaleur latente de vaporisation 257,92 kJ/kg Chaleur latente de fusion 335 kJ/kg Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire L’état solide de l'eau est la glace ; l’état gazeux est la vapeur (d’eau). Elle est totalement invisible et si on la voit s’élever au-dessus d’une casserole d’eau bouillante, c’est que le mouvement ascendant de la vapeur entraîne avec lui des minuscules gouttelettes d’eau. L’état de l’eau dépend des conditions de pression P et de température T. Il existe une situation unique (P,T) dans laquelle l’eau coexiste sous les trois formes solide, liquide, et gazeux ; cette situation est appelée " point triple de l'eau ", elle a lieu à une température de 273,16 K (0,01°C) et une pression de 611,2 Pa. Les unités de température (anciennement les degrés Celsius, maintenant les kelvins) sont définies grâce à ce point triple de l’eau. La vélocité du son dans l'eau est de 1 500 m/s dans les conditions normales de température et de pression. La masse de 1 L d'eau à la température de 4°C était la première définition du kilogramme. Par approximation, on prend pour masse volumique de l’eau dans les conditions normales la valeur de 1 000 kg/m3, une tonne par mètre cube soit un kilogramme par litre. La chaleur massique de l’eau est de 4 186 J/(kg K) dans les conditions normales de température et de pression. L’eau était utilisée comme étalon de chaleur dans d’anciens systèmes d'unité : la calorie (et la frigorie) quantifiait la chaleur à apporter (resp. soustraire) pour augmenter (resp. réduire) d'un degré Celsius la température d’un gramme d’eau : soit 4,185 joules. Température d'ébullition de l'eau en fonction de l'altitude Altitude (m) Temp. (°C) 0 100 4 807 (Mont Blanc) 85 8 844 (Everest) 72 Tableau 1 : Quelques Propriétés de l'eau en fonction de la température Température (°C) Masse volumique (g/cm3) Chaleur massique (J/g· K) Viscosité (µPa·s) 0 0,99984 4,2176 1793 10 0,99970 4,1921 1307 20 0,99821 4,1818 1002 30 0,99565 4,1784 797,7 40 0,99222 4,1785 653,2 50 0,98803 4,1806 547,0 60 0,98320 4,1843 466,5 70 0,97778 4,1895 404,0 80 0,97182 4,1963 354,4 90 0,96535 4,2050 314,5 100 0,95840 4,2159 281,8 Cours ½ module : ANALYSES ET TRAITEMENTS DES EAUX- S6 - 2021-2022 – Pr. Fatima. EL HILALI 4 4) Propriétés de l'eau liées à la vie terrestre Les caractéristiques de l'eau font d'elle une molécule remarquable, aux particularités qui ont permis à la vie sur Terre de se développer. Elles sont surtout liées à sa nature dipolaire.  L'eau a une force de cohésion élevée, ce qui rend cette matière difficile à évaporer (température d'ébullition particulièrement élevée pour une molécule de cette masse molaire). Cela permet à une importante phase liquide d'exister aux températures connues sur Terre, phase liquide indispensable à la vie telle que nous la connaissons.  Ses propriétés de solvant " doux " permettent à un très grand nombre de réactions biochimiques de se produire.  Le fait que la densité de l'eau soit plus grande à l'état liquide que solide, propriété commune avec le Bismuth, a une conséquence remarquable : la glace flotte. De surcroît, le fait que la densité de l'eau douce soit maximale à 4°C fait que la température au fond d'un lac ne peut pas descendre en dessous de 4°C (sauf cas extrêmes). Cela permet à la vie aquatique de survivre aux périodes glacées, car l'eau reste liquide sous son manteau de glace isolant (d'ordinaire la densité à l'état liquide est plus faible qu'à l'état solide pour les autres corps).  Sa tension superficielle particulièrement élevée présente le phénomène de capillarité, qui permet, entre autres, aux plantes de pousser et à de nombreux êtres vivants de se déplacer sur la surface de l'eau. 5) Indice de réfraction de l'eau L'indice de réfraction n d'un milieu transparent est une mesure de sa capacité de changer la direction de propagation d'un rayon de lumière qui y entre. Si la lumière devait voyager dans l'espace vide puis pénétrer dans l'eau, on pourrait faire le rapport des sinus des angles d'incidence et de réfraction (mesurés à partir de la perpendiculaire à la surface de l'eau) selon la loi de Snell-Descartes (voir Réfraction) pour calculer l'indice de réfraction de l'eau relativement au vide. Cet indice ne dépendrait que de l'état physique de l'eau (solide, liquide ou gazeux). Mais, dans la pratique, il est plus simple d'utiliser une interface ou dioptre air-eau pour obtenir l'indice de réfraction de l'eau par rapport à l'air, et puis pour le convertir de l'air au vide en multipliant par l'indice de l'air par rapport au vide. Le résultat, qui est toujours plus grand que 1, est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à sa vitesse dans l'eau : la lumière voyage plus lentement dans l'eau que dans le vide (ou dans l'air). Tous les milieux transparents sont dispersifs, ce qui signifie que la vitesse de la lumière change avec sa longueur d'onde λ. Plus précisément, dans la partie visible du spectre électromagnétique (approximativement 400 à 700 nanomètres) l'indice de réfraction est généralement une fonction décroissante de longueur d'onde : la lumière violette est plus déviée que le rouge. En outre, le taux de changement de l'indice de réfraction augmente également tandis que la longueur d'onde diminue. L'indice de réfraction augmente habituellement avec la densité du milieu. L'eau présente toutes ces caractéristiques. Le tableau suivant montre les résultats de quelques mesures (Tilton et Tailor) de l'indice de réfraction de l'eau, n(λ) par rapport à de l'air sec de même température T que l'eau et à la pression de une atmosphère (760 mmHg ou 1 013 hPa). Indice de réfraction de l'eau en fonction de sa température et de la longueur d'onde de la lumière Longueur d'onde λ (Angströms) T = 10°C T = 20°C T = 30°C 7 065 1,330 7 1,330 0 1,329 0 5 893 1,333 7 1,333 0 1,331 9 5 016 1,337 1 1,336 4 1,335 3 4 047 1,343 5 1,342 7 1,341 7 Cours ½ module : ANALYSES ET TRAITEMENTS DES EAUX- S6 - 2021-2022 – Pr. Fatima. EL HILALI 5 Pour uploads/Geographie/ 1-polycopie-cours-ana-env-smc-s6-28-fevrier-2022-pr-el-hilali.pdf