eau - chimie.

eau - chimie. 1 PRÉSENTATION eau, composé hydrogène-oxygène de formule chimique H2O, plus particulièrement à l'état liquide. Outre l'eau libre à la surface de la Terre et la glace des glaciers, l'eau est l'un des composants majeurs de l'atmosphère et des organismes vivants, dont elle constitue de 50 à 90 p. 100 du poids. Indispensable à la vie, catalyseur de nombreuses réactions chimiques, c'est également le principal agent d'érosion et de sédimentation et donc un facteur déterminant de la formation des paysages. Les philosophes anciens considéraient l'eau comme un élément de base caractérisant toutes les substances liquides. Les scientifiques n'abandonnèrent pas cette idée avant la seconde moitié du XVIIIe siècle. En 1781, Henry Cavendish réalisa la synthèse de l'eau en faisant exploser un mélange d'hydrogène et d'air. Cependant, les résultats de ses expériences ne furent pas clairement interprétés avant 1783, lorsque Antoine Laurent de Lavoisier suggéra que l'eau n'était pas un élément, mais un composé d'oxygène et d'hydrogène. Dans une étude scientifique présentée en 1804, Joseph Louis Gay-Lussac et Alexander von Humboldt démontrèrent conjointement que l'eau était constituée de deux volumes d'hydrogène pour un volume d'oxygène, comme l'exprime la formule actuelle H2O. 2 PROPRIÉTÉS L'eau pure est un liquide inodore et sans goût. Elle a une teinte bleuâtre, qui peut être perçue uniquement lorsqu'elle forme une couche épaisse. Sous une pression atmosphérique normale (760 mm de mercure ou 760 torr), le point de congélation de l'eau est de 0 °C et son point d'ébullition est de 100 °C. L'eau atteint sa densité maximale à une température de 4 °C et se dilate en se congelant. Comme la plupart des autres liquides, l'eau peut se trouver dans un état surfondu, c'est-à-dire qu'elle peut rester à l'état liquide à une température inférieure à son point de congélation : elle peut facilement être refroidie à - 25 °C sans se congeler. L'eau surfondue se congèle lorsque sa température est abaissée ou lorsqu'un cristal de glace ou une autre particule lui est ajouté. Ses propriétés physiques ont fait de l'eau un étalon pour les échelles de température et pour la définition originale de l'unité de masse dans le système métrique, le gramme. L'eau est l'un des agents ionisants les plus connus (voir Ionisation). Comme la plupart des substances sont solubles dans l'eau, on l'appelle fréquemment le solvant universel. L'eau s'allie avec certains sels pour former des hydrates et réagit avec des oxydes de métaux pour former des acides. Elle est utilisée comme catalyseur dans de nombreuses réactions chimiques importantes. 3 ÉTAT NATUREL L'eau est le seul composé qui peut se trouver dans les trois états de la matière (solide, liquide, ou gazeux) aux températures ordinaires. À l'état solide, ou glace, elle constitue glaciers et calottes glaciaires. On la trouve également sous forme de neige, de grêle et de givre et dans certains nuages. Elle se présente à l'état liquide dans les nuages de pluie, formés de gouttelettes d'eau, et sur les végétaux, sous forme de rosée. De plus, elle recouvre les trois quarts de la surface de la Terre sous la forme de marais, de lacs, de rivières et d'océans. On la trouve à l'état de gaz, ou vapeur d'eau, dans le brouillard et les nuages. L'humidité de l'atmosphère est mesurée par l'humidité relative, qui est le rapport de la quantité d'humidité réellement présente dans l'atmosphère sur la plus grande quantité de vapeur possible dans l'air, à la même température (l'air est alors saturé en vapeur). L'eau se présente sous forme d'humidité dans la partie supérieure de la couche terrestre, dans laquelle elle est retenue par les particules du sol. Dans cet état, elle est appelée eau confinée et a des caractéristiques différentes de l'eau libre ( voir Sol ; Sols, traitement des). Sous l'effet de la pesanteur, l'eau s'accumule sous la surface de la terre dans les interstices des roches, formant ainsi un vaste réservoir d'eau souterrain qui alimente les puits, les sources et qui maintient le débit de certains cours d'eau pendant les périodes de sécheresse. 3.1 Cycle naturel L'hydrologie est la science qui étudie la distribution de l'eau sur la Terre, les réactions physiques et chimiques de cette dernière avec d'autres composés naturels, et sa relation avec la vie terrestre. Le mouvement continu de l'eau entre la Terre et l'atmosphère est appelé cycle hydrologique. Sous l'effet de plusieurs facteurs, en particulier sous l'action de la chaleur, l'eau s'évapore des surfaces océanique et terrestre et est transpirée par les cellules vivantes. Cette vapeur circule dans l'atmosphère et précipite sous forme de pluie ou de neige. Voir Météorologie. Lorsqu'elle atteint la surface de la Terre, l'eau suit deux voies. Une partie de l'eau, l'eau de ruissellement, s'écoule directement dans les ruisseaux et les rivières, puis dans les océans ou les étendues d'eau entourées de terre. Cette quantité d'eau dépend de l'abondance des précipitations, ainsi que de la porosité, de la perméabilité, de l'épaisseur et de l'humidité du sol. L'autre partie s'infiltre dans le sol. Une partie de l'eau infiltrée humidifie le sol, et peut être évaporée directement ou bien migrer dans les racines des végétaux, puis transpirer par les feuilles. La partie de l'eau qui surmonte les forces de cohésion et d'adhésion dans le sol s'infiltre en profondeur, s'accumulant dans la zone dite de saturation pour former la nappe d'eau souterraine, dont la surface est appelée niveau hydrostatique. Dans les conditions naturelles, le niveau hydrostatique s'élève par intermittence après le remplissage, ou recharge, puis baisse à cause du drainage dans les débouchés naturels, tels que les sources. 3.2 Composition En raison de sa capacité à dissoudre de nombreux composés en grande quantité, on trouve rarement l'eau pure dans la nature. Pendant la condensation et la précipitation, la pluie ou la neige absorbent des quantités variables de dioxyde de carbone et d'autres gaz contenus dans l'atmosphère, ainsi que des traces de matière organique et minérale. De plus, les précipitations apportent des retombées radioactives à la surface de la Terre. Dans la croûte terrestre, l'eau réagit avec les minéraux du sol et des roches. Les principaux composants dissous dans l'eau de surface et l'eau souterraine sont les sulfates, les chlorures, les bicarbonates de sodium et de potassium, les oxydes de calcium et de magnésium. Les eaux de surface peuvent également contenir des eaux d'égout domestique et des déchets industriels. Les eaux souterraines des puits peu profonds peuvent contenir de grandes quantités de composés azotés et de chlorures provenant de déchets humains et animaux. Voir Eau, pollution de l'. En général, les eaux des puits profonds contiennent uniquement des minéraux en solution. Presque toutes les sources d'eau potable naturelle contiennent des fluorures en quantité variable. La proportion précise des fluorures dans l'eau potable a été estimée afin de réduire les caries dentaires (voir Fluor). L'eau de mer renferme d'importantes quantités de chlorure de sodium, ou sel, et de nombreux autres composés solubles. Dans le même temps, de l'eau pure s'évapore. En conséquence, la proportion d'impuretés qui donne aux océans leur caractère salin augmente. Voir Océans, exploration du fond des. 4 TRAITEMENT 4.1 Traitement de l'eau douce Les impuretés en suspension et dissoutes dans l'eau naturelle la rendent impropre pour de nombreux usages. Les matières organiques et minérales indésirables en suspension sont éliminées par des méthodes, telles que le criblage et la sédimentation. On peut également traiter l'eau avec des composés tels que le charbon actif pour supprimer les goûts et les odeurs. On filtre, on javellise et on irradie l'eau pour détruire les micro-organismes pathogènes qu'elle contient. Pendant l'aération, ou saturation de l'eau par l'air, on cherche à réaliser une diffusion maximale de l'eau dans l'air en la pulvérisant. L'aération retire les odeurs et le goût dus à la matière organique en décomposition et aux déchets industriels, tels que les phénols et les gaz volatils, comme par exemple le chlore. L'aération transforme également le fer dissous et les composés du manganèse en oxydes hydratés, qui peuvent être ensuite éliminés. La dureté des eaux naturelles est due en grande partie aux sels de calcium et de magnésium, et pour une faible part au fer, à l'aluminium et à d'autres métaux. La dureté provenant des bicarbonates et des carbonates de calcium et de magnésium est appelée dureté temporaire et peut être supprimée en faisant bouillir l'eau, ce qui la stérilise également. La dureté résiduelle est appelée dureté non carbonatée, ou dureté permanente. Parmi les méthodes d'adoucissement de la dureté non carbonatée, on peut citer l'addition de carbonate de sodium et de chaux, et la filtration à travers des zéolithes naturels ou artificiels, qui produisent des ions métalliques et relâchent des ions sodium dans l'eau. Voir Ions, échange d'. Les agents séquestrants utilisés dans les détergents inactivent les substances responsables de la dureté de l'eau. Le fer, qui donne un goût désagréable à l'eau potable, peut être supprimé par aération et sédimentation, ou en passant l'eau dans des filtres de zéolithe absorbant le fer. Le fer peut également être stabilisé par addition de sels, tels que les polyphosphates. Pour les applications en laboratoire, l'eau est soit distillée, soit déminéralisée par passage dans des composés absorbant les ions. 4.2 Dessalement de l'eau de mer Pour subvenir aux besoins toujours croissants en eau douce, en particulier dans les zones arides et semi-arides, de nombreuses recherches ont été menées pour trouver des méthodes efficaces permettant d'éliminer le sel de l'eau de mer et des eaux saumâtres. La plupart des procédés utilisés impliquent l'évaporation puis la condensation de la vapeur résultante. Le procédé de dessalement le plus répandu est la distillation multiflash : l'eau est chauffée, puis pompée dans des réservoirs à basse pression, où elle se vaporise brutalement (flash). Après plusieurs flashs successifs, la vapeur condensée est récupérée et donne de l'eau pure. La réfrigération est une méthode fondée sur la différence entre les points de congélation de l'eau douce et de l'eau salée. Les cristaux de glace sont séparés de la saumure, lavés du sel, puis fondus pour obtenir de l'eau douce. Dans un autre procédé, appelé osmose inverse, la pression permet de faire passer l'eau douce à travers une fine membrane qui ne laisse pas passer les minéraux. L'électrodialyse est utilisée pour dessaler les eaux saumâtres. Le sel se dissout dans l'eau en ions négatifs et en ions positifs, qui sont ensuite mis en mouvement par un courant électrique à travers des membranes anioniques et cationiques, ce qui diminue la quantité de sel dans l'eau. Un des problèmes majeurs dans un projet de dessalement est le coût de production de l'eau douce. En utilisant des carburants conventionnels, les centrales dont la capacité atteint 3,8 millions de litres par jour produisent de l'eau à plus de 5 francs pour 3 800 l. La plupart des experts attendent des résultats plus probants des essais de purification de l'eau saumâtre. Cette dernière contient entre 1 000 et 4 500 ppm de minéraux, alors que l'eau des océans en contient 35 000 ppm. L'eau étant potable si elle contient moins de 500 ppm de sel, le coût du dessalement de l'eau saumâtre est relativement moins élevé que le coût du dessalement de l'eau de mer. Voir Solaire, énergie ; Hydraulique, énergie ; Eau, distribution de l'. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.