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Chimie des eaux naturelles Par le Professeur Ouafae ABDELAOUI Année 2015-2016 C

Chimie des eaux naturelles Par le Professeur Ouafae ABDELAOUI Année 2015-2016 Chimie des eaux naturelles A- Caractéristique du milieu aqueux (Rappel) B- Cycle de l’eau C- Composante du cycle de l’eau D- Le cycle de carbone inorganique E- La chimie du carbone inorganique dans l'eau et le captage du CO2 F-Définition de l’Equilibre Calco-carbonique dans les eaux naturelles. G- Les eaux agressives et les eaux incrustantes H- Théorie de l’Equilibre Calco-carbonique dans les eaux naturelles A-CARACTÉRISTIQUES DU MILIEU AQUEUX PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE a-La structure moléculaire: La molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. La structure de la molécule d'eau est tétraédrique. l'angle H-Ô-H est de 104,5° et que la distance interatomique dO-H = 95,7 pm (picomètre) soit 9,57.10-11 m. L’oxygène étant beaucoup plus électronégatif que l’hydrogène, le doublet d'électrons de chaque liaison O-H se déplace donc vers l'atome d'oxygène. On dit que les deux liaisons O-H sont polarisées. Du fait de sa géométrie coudée, a-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE 1. Polarité de l’eau: La molécule d'eau est donc polaire (dipolaire). Cela explique qu'elle soit un bon solvant pour les électrolytes solides, liquides ou gazeux. En effet, l'eau peut dissoudre tous les solides ioniques cristallins, conduisant à des solutions comportant des ions solvatés. C'est pourquoi l'eau intervient dans de nombreux phénomènes géologiques. a-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE a-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE 2. Densité La masse volumique de l'eau pure a 4°C est de 1,0000 g/cm3. Sa densité à d'autres températures figure dans le tableau suivant. Température °C 0 4 10 15 20 25 30 100 Densité r 0,99987 1,00000 0,99973 0,99913 0,99823 0,99707 0,99567 0,95838 3. Élasticité : Aux pressions que l'on rencontre ordinairement en pratique hydraulique, l'eau est considerée comme un fluide incompressible. Mais, en fait, c'est un fluide élastique a-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE 4.La Viscosité: La viscosité de l'eau pure est fonction de la temperature et relativement independante de la pression aux pressions les plus courantes. 5.La Conductivité: L'eau pure n'est pas un bon conducteur d'électricité. Du fait que le courant électrique est transporté par les ions de la solution, la conductivité augmente lorsque la concentration des ions augmente. 6.Pression de vapeur: La pression de vapeur d'eau est égale a la pression partielle de la vapeur d'eau dans le cas de l'air saturé d'humidité. Si la pression partielle de la vapeur d'eau en contact avec l'eau liquide est moindre que la pression de vapeur, l'eau s'evapore plus vite que la vapeur ne se condense. a-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE 7. L’ humidité relative: L'humidité relative de l'air est le rapport entre la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air et la pression de vapeur de l'eau. 8. Tension de surface: Les molecules d’eau sont maintenues ensemble par des forces d'attraction entre molecules. On présume que chaque molécule d’eau est attirée vers toutes les autres à l'intérieur d'un certain rayon au-delà duquel les forces d'attraction deviennent négligeables. Les molécules qui sont à une distance d'une surface libre qui est inférieur à la valeur du rayon sont attirées vers l'intérieur du liquide par la force résultante. a-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE 8. Tension de surface: L‘énergie potentielle par unité de superficie, représentée par cette force, est connue sous le nom d’énergie de surface. La valeur numérique de l‘énergie de surface est égale à la tension superficielle (ou de surface) du liquide. Pour tous les liquides et en particulier l’eau, la tension de surface décroit quand la température croit. a-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L'EAU PURE b-Propriété chimique de l’eau 1)Propriété d’oxydo-réduction de l’eau Dans une molécule d'eau , l'oxygène est au nombre d'oxydation -2 et l'hydrogène au nombre d'oxydation +1. H2O est à la fois un oxydant faible (réduction de H+ en H2 ) et un réducteur faible ( OH-en O2). Il faut considérer deux couples oxydo-réducteurs pour l'eau: En considérant l'élément oxygène : O2 (0)/ H2O (-2)où O2 est l'oxydant et H2O le réducteur En considérant l'élément hydrogène : H2O(+1)/H2(0) où H2O est l'oxydant et H2 le réducteur b-Propriété chimique de l’eau 1) Réactions d'oxydoréduction Oxydation de l'eau : c'est l'oxygène qui se fait oxyder H20(-11) +F2 2HF + 0( 2°) H20(-11) + Cl2 2HCI + O( 2°) réaction catalytique a 400°C (procède Deacon-Shell) Réduction de l'eau : c'est l'hydrogène qui se fait réduire H( 2 +1)0 + 2 Na Na20 +H2 (0) b-Propriété chimique de l’eau 2) Réactions d'hydrolyse : c'est l'action des espèces dissociées de l'eau Hydrolyse d'un sel Al2S3 +3H20 —› Al203 + 3H2S Estérification en milieu acide RCOO –R’ +H20 —› RCOOH + R’OH 3) Réactions d'hydratation : formation de composes définis que l'on peut normalement cristalliser. Exemple : CoCl2 CoCl2, 2H20 ---- CoCl2, 6H20 (en fait(Co[CI2,( H20)4], 2H20 ) Les hydrates sont des composés définis peu stables thermiquement dont la couleur et les proprietés physiques vont dépendre des complexes réellement formés . B-Cycle de l’eau Le cycle de l’eau, alimenté en énergie par la « machine » thermique solaire, fait s’évaporer l’eau depuis les continents et les océans; L'évaporation se fait principalement au-dessus des océans (~84%); Les vents et autres mouvements de l'atmosphère redistribuent la vapeur d'eau; celle-ci retombe sous forme de pluie qui, au niveau des continents, ruisselle et retourne à l'océan. Le cycle de l'eau se déroule à la fois sur Terre et dans l'atmosphère. La dynamique terrestre de l'eau est complexe et évolutive. Les éléments qui composent le cycle de l'eau sont respectivement : 1. Les précipitations : eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, sous forme liquide (bruine, pluie, averse) et / ou solide (neige, grésil, grêle) ainsi que les précipitations déposées ou occultes (rosée, gelée blanche, givre,...). 2. L'évaporation : passage de la phase liquide à la phase vapeur, il s'agit de l'évaporation physique. 3. L'évapotranspiration : englobe les processus d'évaporation et de transpiration de la végétation C-COMPOSANTE DU CYCLE DE L’EAU 4. L'interception : processus selon lequel la pluie (ou dans certains cas la neige) est retenue par la végétation, et repart par évaporation directe, sans entrer dans le cycle d'eau du bassin versant. 5. Le stockage dans les dépressions : processus au cours du quel l'eau est retenue dans les creux et les dépressions du sol pendant une averse. 6. Le ruissellement ou écoulement de surface : mouvement de l'eau sur ou dans les premiers horizons du sol (écoulement de subsurface), consécutif à une précipitation. 7. L'infiltration : mouvement de l'eau pénétrant dans les couches superficielles du sol. 8. La percolation : mouvement profond de l'eau dans les sols faisant suite à l'infiltration. C- COMPOSANTE DU CYCLE DE L’EAU D - Le cycle du carbone inorganique Les réservoirs importants de Cinorg -l'atmosphère -les océans -les sédiments et roches carbonatées, principalement les calcaires CaCO3, mais aussi les dolomies CaMg(CO3)2. La figure qui suit résume le cycle du carbone inorganique, en indiquant la dimension des réservoirs (chiffres noirs) et les flux (chiffres rouges) entre ces réservoirs. D-Le cycle du carbone inorganique L'échange entre le CO2 atmosphérique et le CO2 de la surface des océans a tendance à se maintenir à l'équilibre. L'altération chimique des roches continentales convertit le CO2 dissout dans les eaux météoriques (eaux de pluies et des sols) en HCO3 - qui est transporté dans les océans par les eaux de ruissellement. Les organismes combinent ce HCO3 - au Ca2+ pour secréter leur squelette ou leur coquille de CaCO3. Une partie de ce CaCO3 se dissout dans la colonne d'eau et sur les fonds océaniques; l'autre partie s'accumule sur les planchers océaniques et est éventuellement enfouie pour former des roches sédimentaires carbonatées. D -Le cycle du carbone inorganique Ces dernières sont ramenées à la surface après plusieurs dizaines de millions d'années par les mouvements tectoniques reliés à la tectonique des plaques. Une partie du carbone des roches carbonatées est recyclée dans les magmas de subduction et retournée à l'atmosphère sous forme de CO2 émis par les volcans. D -Le cycle du carbone inorganique E- La chimie du carbone inorganique dans l'eau et le captage du CO2 Deux niveau de captage du CO2 agit sur terre et dans l'océan -la photosynthèse qui transforme le Cinorg du CO2 en Corg selon l'équation suivante: -la dissolution du CO2 dans l’eau, forme l'acide carbonique : E-La chimie du carbone inorganique dans l'eau et le captage du CO2 Cet acide carbonique se dissocie en formant l’ ion bicarbonate: réaction (3) contrôlé par Le pH de l’eau . Si la concentration en H+ diminue (augmentation de pH) une grande quantité d'acide carbonique se dissocie. E- La chimie du carbone inorganique dans l'eau et le captage du CO2 le bicarbonate HCO3 - se transforme en carbonate CO3 2- selon: A un pH de l'eau donné, les quantités relatives d'ions carbonates et bicarbonates s'ajustent jusqu'à l'atteinte de l'équilibre. si pH >7 →production des ions carbonates si pH <7 →les ions bicarbonates De manière générale, les eaux marines sont alcalines (pH > 7) et les eaux douces continentales sont acides (pH < 7). L’équilibre peut être perturbé par la diffusion de CO2 anthropique de l'atmosphère vers uploads/Geographie/ eaux.pdf