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27/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour Toute reproduction sans autorisat

27/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Environnement G 1 110 − 1 Propriétés des eaux naturelles par Jean-Claude BOEGLIN Ingénieur chimiste Docteur ès sciences Ancien Directeur de l’Institut de recherches hydrologiques (IRH-environnement, Nancy) Conseiller scientiﬁque de l’Institut de promotion industrielle (IPI)-environnement industriel, Colmar Expert International du NANCIE (Centre international de l’eau de Nancy) e caractère banal de l’eau qui nous environne, fait parfois oublier que ce liquide qui nous est si familier s’avère en réalité — par ses propriétés si particulières — à la fois le ﬂuide le plus indispensable à la vie et celui dont la complexité est la plus remarquable. En dehors de sa fonction biologique, on peut dire que l’histoire du dévelop- pement industriel s’est construite en partenariat avec l’eau. Cet article sera consacré : — à un bref rappel sur la structure, la composition et les principales propriétés physico-chimiques et biologiques de l’eau ; — à l’étude de l’eau dans la nature : cycle de l’eau, réserves et ressources en eau, caractéristiques des eaux naturelles ; — à l’évaluation des effets néfastes de la pollution et à la définition des actions à entreprendre pour la protection et conservation des eaux. 1. L’eau pure et ses propriétés.................................................................. G 1 110 - 2 1.1 Composition et structure de la molécule d’eau ........................................ — 2 1.2 Différents états de l’eau .............................................................................. — 2 1.3 Propriétés physiques de l’eau .................................................................... — 2 1.4 Propriétés chimiques de l’eau .................................................................... — 3 1.5 Propriétés biologiques de l’eau.................................................................. — 4 2. L’eau dans la nature ................................................................................ — 4 2.1 Éléments du cycle de l’eau ......................................................................... — 4 2.1.1 Précipitations ...................................................................................... — 4 2.1.2 Ruissellement...................................................................................... — 4 2.1.3 Évapotranspiration ............................................................................. — 4 2.1.4 Inﬁltration............................................................................................ — 4 2.1.5 Cycle de l’eau...................................................................................... — 4 2.2 Répartition de l’eau sur la Terre ................................................................. — 5 2.3 Ressources hydriques naturelles ............................................................... — 5 2.3.1 Eaux superﬁcielles.............................................................................. — 5 2.3.2 Eaux souterraines............................................................................... — 6 3. Pollution et utilisation ultérieure de l’eau........................................ — 8 Références bibliographiques ......................................................................... — 8 L 27/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour PROPRIÉTÉS DES EAUX NATURELLES ______________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. G 1 110 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Environnement 1. L’eau pure et ses propriétés 1.1 Composition et structure de la molécule d’eau Bien que la formule H2O soit relativement simple, il existe de très nombreuses combinaisons possibles des éléments hydrogène et oxygène qui comportent chacun plusieurs isotopes. L’eau pure est donc un mélange de plusieurs molécules, chimi- quement identiques, mais ayant des propriétés physiques distinc- tes. Cependant, l’eau ordinaire est constituée essentiellement de molécules 1H2 16O, comme le montre le tableau 1 qui donne la composition isotopique moyenne de l’eau. La molécule d’eau est constituée d’un édiﬁce électronique sta- ble, qualitativement semblable au néon, qui cependant ne réalise pas un équilibre électrique parfait. En effet, à cause de l’électronégativité marquée de l’oxygène, et de sa tendance à accaparer les deux électrons d’hydrogène, il s’ensuit une déformation de la structure à l’origine des caractéris- tiques géométriques essentielles de la molécule d’eau, qui est dis- symétrique et conforme au schéma angulaire de la ﬁgure 1. Du point de vue électrique, cela se traduit par un caractère polaire de la molécule d’eau (ﬁgure 2), présentant un moment électrique permanent, qui permet d’expliquer les extraordinaires, pour ne pas dire aberrantes, propriétés de l’eau, qui font qu’elle n’a pas les caractéristiques d’un liquide parfait. 1.2 Différents états de l’eau Comme pour la plupart des corps, l’eau peut se présenter sous trois états ou phases : solide (glace), liquide (eau proprement dite), et gazeux (vapeur d’eau). Ces trois phases coexistent dans la nature, toujours observables deux à deux, et plus ou moins en équilibre : eau-glace, glace- vapeur, eau-vapeur, selon les conditions de température et de pression. Il existe cependant un point, dit point triple (ﬁgure 3) pour lequel les trois phases sont rigoureusement en équilibre, à la température de 0,01 oC et sous une pression de 4,6 mmHg (613 Pa). 1.3 Propriétés physiques de l’eau Les valeurs des principales constantes physiques de l’eau sont rassemblées dans le tableau 2. Le caractère polaire de la molécule d’eau est à l’origine d’asso- ciations possibles entre les molécules d’eau ; il donnera lieu à bien des anomalies physiques que nous signalons brièvement. I Température d’ébullition Anormalement élevée, si on la compare avec celle de composés de masse moléculaire du même ordre, possédant plusieurs atomes d’hydrogène. I Masse volumique Elle varie avec la température et la pression, mais aussi avec la teneur en sels dissous. Tableau 1 – Composition isotopique moyenne de l’eau Molécules Abondance relative (% en masse) 1H2 16O 99,70 2H2 16O ou D2O 0,000002 3H2 16O ou T2O traces 1H2 18O 0,20 1H2 17O 0,04 1H2H16 O ou HDO 0,03 Figure 1 – Géométrie de la molécule H2O H H H H O O 104,5° 104,5° 0,062 nm 0,062 nm 0,096 nm Figure 2 – Polarité de la molécule H2O et des liaisons O—H H+q H+q O–2q –2q –2q Dipôle µ Moment dipolaire H H O µ Moment résultant µO–H 27/09/2008 DOCUMENTATION Dossier délivré pour ______________________________________________________________________________________________________ PROPRIÉTÉS DES EAUX NATURELLES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Environnement G 1 110 − 3 (0) I Viscosité Elle diminue lorsque la température croît ; par contre, elle aug- mente avec la teneur en sels dissous. Contrairement aux autres liquides, une pression modérée, rend l’eau moins visqueuse aux basses températures. I Tension superﬁcielle Elle est extrêmement élevée ; égale à 73 × 10–3 N/m à 18 oC et 52,5 × 10–3 N/m à 100 oC. L’addition de sels dissous augmente généralement la tension superﬁcielle, les tensioactifs par contre la diminuent. I Permittivité relative Elle est particulièrement élevée ε = 80 (à 20 oC) par rapport à d’autres liquides. C’est ce qui explique le pouvoir ionisant très important de l’eau. I Conductivité électrique de l’eau L’eau est légèrement conductrice. La conductivité de l’eau pure à 20 oC est 4,2 × 10–6 S/m ce qui correspond à une résistivité très élevée de 23,8 MΩ · cm. Cette conductivité très faible mais jamais nulle de l’eau est expli- quée par une légère dissociation de la molécule d’eau en ions selon l’équation chimique : Cet équilibre est caractérisé quantitativement par sa constante d’équilibre ou produit ionique : avec et concentrations molaires en ions. Dans le cas de l’eau pure, la fraction des molécules ainsi disso- ciées est extrêmement faible, comme l’indique la valeur de la constante d’équilibre de dissociation qui varie, par ailleurs, de façon notable avec la température : à 20 °C et d’où Ce qui permet de déﬁnir la notion de pH (grandeur sans unité) par la relation : ou, ce qui est équivalent par la relation : 1.4 Propriétés chimiques de l’eau L’eau est, par ses propriétés électriques et sa constitution moléculaire, particulièrement apte à la mise en solution de nom- breux corps gazeux, liquides polaires, et surtout solides [1] [5]. La solvatation (ou action hydratante de l’eau) est le résultat d’une destruction complète ou partielle des divers liens électrosta- tiques entre les atomes et les molécules du corps à dissoudre, pour les remplacer par de nouveaux liens avec les molécules d’eau, et forger ainsi de nouvelles structures : il se produit une véritable réaction chimique. Figure 3 – Diagramme des phases de l’eau (non à l’échelle) Tableau 2 – Principales constantes physiques de l’eau pure Eau liquide Température d’ébullition sous 760 mmHg (101 325,02 Pa)............................................. 100 oC Capacité thermique massique à 15 oC....... 4,186 8 J · g–1 Enthalpie de vaporisation à 100 oC............ 2 252,5 J · g–1 Conductivité thermique à 20 oC ................. 5,98 mW · cm–1 · K–1 Résistivité à 20 oC........................................ 23,8 MΩ · cm Permittivité relative ε à 20 oC..................... 80 Indice de réfraction pour la raie D à 10 oC 1,333 00 Masse volumique à 4 oC............................. 1 g · cm–3 (par définition) Eau solide Température de fusion ............................... 0 oC (par définition) Capacité thermique massique.................... 2,093 4 J · g–1 Enthalpie de fusion sous 760 mmHg (101 325,02 Pa)............................................. 333,27 J · g–1 Tension de vapeur à 0 oC............................ 877,128 Pa Permittivité relative ε .................................. 3,26 Indice de réfraction pour la raie D ............. 1,309 07 Densité (par rapport à l’eau à 4 oC)............ 0,916 49 ± 0,000 7 Eau vapeur Conductivité thermique à 100 oC ............... 0,231 mW · cm–1 · K–1 Densité par rapport à l’air........................... 0,623 37 Indice de réfraction pour la raie D à 100 oC 1,002 59 0 0,01 100 374 0,6 101,3 22 300 p (kPa) θ (°C) Courbe de fusion Courbe d'ébullition Courbe de sublimation C T État solide État liquide État gazeux T point triple p = 0,6 kPa θ = 0,01 °C C point critique p < 22 300 kPa θ < 374 °C ε 2H2O ! H 3 O aq + uploads/Geographie/ proprietes-des-eaux-naturelles-jean-claude-boeglin 1 .pdf