Le contrôle de la qualité de l’eau

La solubilité des substances ioniques dans l’eau

A) L’électronégativité

L’électronégativité d’un atome est sa capacité à attirer à lui le doublet d’électrons engagé dans une liaison de covalence : plus son électronégativité est forte, plus il est attracteur. Dans le tableau ci-dessous, on trouve la valeur de l’électronégativité de Pauling de quelques éléments.

Info

Linus Pauling (1901-1994) est un chimiste et physicien américain. Lauréat du prix Nobel de chimie en 1954 pour ses travaux décrivant la nature de la liaison chimique, il a introduit la notion d’électronégativité en 1932.

Dans le cas d’une liaison entre deux éléments A et B, on calcule la différence d’électronégativité entre les deux :

si la différence est inférieure ou égale à 0,4, la liaison est apolaire. Le doublet d’électrons est équitablement réparti : A—B ;

si la différence est comprise entre 0,5 et 2, la liaison est polaire. La probabilité de présence du doublet d’électrons est plus grande vers B, l’élément le plus électronégatif : A^δ+—B^δ–. A porte alors une charge partielle positive δ+ et B porte alors une charge partielle négative δ– ;

si la différence est supérieure à 2, la liaison est ionique. B, l’élément le plus électronégatif, porte une charge négative entière – et A une charge positive entière + : A⁺ + B^–.

B) L’eau, molécule et solvant polaires

Lorsqu’une molécule comporte une ou plusieurs liaisons polarisées, alors le barycentre des charges partielles positives et le barycentre des charges partielles négatives ne sont pas forcément au même endroit : la molécule est alors polaire.

L’eau comporte deux liaisons OH polarisées qui se répartissent dans un plan : le barycentre des charges positives se place au milieu des deux éléments hydrogène, ce qui ne coïncide pas avec le barycentre des charges négatives, qui est l’élément oxygène.

L’eau est une molécule polaire, elle constitue donc un solvant polaire, efficace pour dissoudre des molécules petites et polaires, ainsi que les ions, qui sont des espèces chargées électriquement.

C) La dissolution des composés ioniques dans l’eau

Une solution aqueuse est obtenue par dissolution d’un solide ionique ou moléculaire dans l’eau. Une solution électrolytique est une solution contenant des ions. Elle conduit le courant, mais est électriquement neutre (compensation globale des charges électriques). Les ions, chargés électriquement, sont facilement solvatés (hydratés) par l’eau.

Le chlorure de sodium NaCl (sel de table) est un cristal ionique : c’est un assemblage ordonné de cations sodium Na⁺ et d’anions chlorure Cl^–. Chaque ion est entouré d’ions porteurs d’une charge opposée afin de stabiliser le cristal.

Les schémas ci-dessous représentent des morceaux du cristal ionique de chlorure de sodium. Les petits cercles représentent des ions sodium et les plus gros, des ions chlorure.

Lors de la dissolution du NaCl dans l’eau, on observe les étapes suivantes.

 Étape 1 : dissociation du solide ionique

Un cristal ionique, constitué d’ions liés par des forces électrostatiques (➀), commence à se dissoudre en étant en contact avec l’eau. Pour nous, à l’œil nu, il semble « disparaître » dans l’eau. En fait, le cristal est en cours de destruction : les ions sont séparés les uns des autres par le solvant. Ils se libèrent dans le liquide, chacun de leur côté : ils sont trop petits pour être visibles individuellement (➁).

 Étape 2 : hydratation (ou solvatation) des ions

La molécule d’eau étant polarisée, elle s’associe aux ions positifs par son côté négatif (oxygène) et aux ions négatifs par ses côtés positifs (hydrogène). Cela s’appelle l’hydratation (➂).

 Étape 3 : dispersion des ions

Les ions hydratés s’éloignent peu à peu les uns des autres. Ils se dispersent dans le solvant.

La formule d’un solide ionique comporte le nombre minimal de cations et d’anions permettant la neutralité électrique. Elle commence toujours par la formule du cation.

Exemple

Le carbonate de sodium, Na₂CO₃, est constitué d’ions Na⁺ et d’ions ${\text{CO}}_3^{2-}$.

La conductivité d’une eau et d’une solution aqueuse ionique

A) La conductivité σ

L’eau pure conduit très peu l’électricité car elle comporte une concentration ionique faible : les seuls ions présents sont ceux correspondant à l’autoprotolyse de l’eau :

[H₃O⁺] = [HO^–] = 1,0 × 10^–7 mol.L^–1.

Remarque

L’autoprotolyse de l’eau est la dissociation de l’eau en ions oxonium et hydroxyde. Son équation de réaction est : 2 H₂O = H₃O⁺ + HO^–

Une eau en milieu naturel comporte des ions dissous : elle conduit mieux l’électricité grâce à la présence de porteurs de charge. Une solution ionique ou solution électrolytique préparée au laboratoire peut ainsi être très conductrice selon la concentration ionique.

La capacité à conduire le courant est liée à la conductivité électrique σ (« sigma ») d’une solution. Elle s’exprime en siemens par mètre (S.m^–1). Les ions n’ont pas tous la même capacité à conduire l’électricité, mais la conductivité électrique est proportionnelle à la concentration molaire ou massique en une espèce ionique.

Lorsque plusieurs ions sont présents, la conductivité électrique est la somme des contributions de chaque ion : σ = Σ_i λ_i × c_i où λ_i est une constante qui dépend de l’ion et c_i est sa concentration molaire.

Exemple

Le graphe ci-contre montre l’évolution de la conductivité en fonction de la concentration molaire en chlorure de sodium.

Une solution électrolytique permet au courant de passer plus facilement : le risque d’électrocution est donc plus important !

B) L’eau distillée et l’eau déminéralisée

L’eau distillée est purifiée par évaporation puis liquéfaction : elle ne contient pas de bactérie ou de substances organiques. Cette eau est coûteuse à produire en raison de l’énergie nécessaire à la vaporisation de l’eau. Elle est utilisée dans les hôpitaux pour éviter la présence de germes, dans les fers à repasser. On peut en boire, mais l’eau potable doit apporter à l’organisme des ions.

L’eau déminéralisée est purifiée en retirant les espèces minérales ; cependant les contaminants organiques, les virus ou les bactéries sont toujours présents. Elle est employée pour les tests en laboratoire, le lavage de voitures, la fabrication des puces électroniques, l’alimentation des chaudières, les fers à vapeur, les applications pour les générateurs de vapeur, etc.

La composition et la qualité d’une eau

A) La concentration ionique

La concentration massique C_m d’une espèce chimique en solution est la masse de l’espèce chimique par litre de solution. C’est le rapport de la masse de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en kilogramme par litre kg.L^–1.

La concentration molaire C d’une espèce chimique en solution est la quantité de matière de l’espèce chimique contenue par litre de solution. C’est le rapport de la quantité de matière de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en mole par litre mol.L^–1.

Remarque

La concentration massique est liée à la concentration molaire : C_m = C × M, où M est la masse molaire de l’espèce dissoute.

Les eaux de consommation n’ont pas toute la même composition ionique : pour s’imprégner de minéraux et se charger parfois en gaz carbonique (dioxyde de carbone), elles doivent séjourner de nombreuses années dans le sous-sol. Les substances minérales sont importantes pour l’organisme humain, mais il ne peut les produire lui-même et doit donc les rechercher dans la nourriture.

Les compositions moyennes des eaux minérales sont données par leur concentration massique en milligramme par litre dans le tableau suivant.

B) Les critères physico-chimiques de potabilité de l’eau

Ils sont définis par l’arrêté du 11 janvier 2007 du ministère de la Santé relatif aux limites et références de qualité des eaux brutes et des eaux destinées à la consommation humaine mentionnées aux articles R. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 et R. 1321-38 du Code de la santé publique.

Les valeurs sont indiquées en annexe du document et on trouve les valeurs limites ou les encadrements pour les concentrations des espèces ioniques, des polluants, du pH, de la turbidité, etc.

C) L’équivalence d’un dosage par titrage

Il est important de connaître la concentration d’espèces chimiques dans différents milieux : dans le domaine médical, dans l’alimentation. On réalise pour cela un dosage qui peut utiliser une réaction chimique : on titre alors l’espèce chimique.

Si on considère la réaction a A + b B → c C + d D, où a, b, c et d sont les coefficients stœchiométriques et A, B, C et D sont les espèces chimiques, les réactifs A et B sont à apporter selon leurs proportions stœchiométriques si $\frac{{\text{n}}_{\text{A}}}{\text{a}}=\frac{{\text{n}}_{\text{B}}}{\text{b}}$. Les réactifs A et B sont alors totalement consommés.

Dans le cas d’un titrage, on ajoute un réactif de concentration connue au réactif à doser et on recherche l’équivalence : on veut obtenir des proportions stœchiométriques.

Dans le cas d’un titrage suivi par conductimétrie, on repère l’équivalence par une rupture de pente de la courbe montrant l’évolution de la conductivité en fonction du volume de réactif titrant ajouté.

Le montage expérimental utilisé est indiqué sur le schéma ci-contre.