TD-eaux naturelles-proprietes

TD : Les eaux naturelles et leurs propriétés
Omniprésente sur Terre, l’eau est l’une des espèces chimiques indispensables à la vie.
I. L’eau sur Terre dans tous ses états
La molécule d’eau est formée d’un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène.
1. Etablir la structure électronique des atomes d’hydrogène et d’oxygène. En déduire la représentation de Lewis de
la molécule d’eau. Quelle théorie justifie la forme de la molécule d’eau ?
2. La molécule d’eau est une molécule polaire : justifier.
3. Dans l’eau liquide, les molécules d’eau s’associent les unes aux autres sous forme de paquets de grande taille
qui se font et se défont en permanence. Quel type de liaison s’établit-il entre les différentes molécules?
4. En refroidissant l’eau liquide, les liaisons citées précédemment qui pouvaient s’y tordre aisément, se raidissent
progressivement pour devenir quasiment droites. On obtient alors une structure rigide et organisée : c’est la glace.
La glace Ih (I = ice, h = hexagonale) est la glace que nous connaissons. L’autre forme observée à l’état naturel sur
Terre, sous faibles pressions et à des températures de l’ordre de 150 K est la glace Ic (c = cubique) mais elle est
beaucoup plus rare.
Glace Ih
Glace Ic
Dans la glace Ih, entourer une molécule d’eau. Vers quels atomes sont orientés ses atomes d’hydrogène ? De
quelle façon se fait l'orientation des molécules d'eau adjacentes ? Quelle est la structure géométrique de la
molécule d’eau dans la glace Ic ? Dans quelle(s) condition(s) peut-on obtenir d’autres variétés de glace ?
5. Les distances entre les molécules sont donc légèrement supérieures dans la glace à ce qu’elles sont dans l’eau
liquide. Il y a donc plus de « vide » dans la glace que dans l’eau liquide. La glace est-elle plus dense ou moins
dense que l’eau liquide ? Justifier la réponse.
6. Que deviennent les liaisons hydrogène lorsque l’eau se transforme en vapeur ?
7. Laquelle des liaisons O – H ou hydrogène a la plus grande valeur d’énergie de liaison ? Justifier la réponse.
Olympiades de la Chimie 2010/2011 – « Chimie et Eau »
Evelyne MASSON – Académie de Clermont – Ferrand
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8. L’eau produit des ions oxonium et hydroxyde. Ecrire l’équation chimique de l’ionisation des molécules d’eau.
Quel est le nom de cette réaction ?
9. Calculer la quantité de matière puis le nombre de molécules d’eau contenues dans 1 L d’eau. Sachant qu’à
25°C, le pH de l’eau pure est 7, utiliser l’équation précédente pour calculer la quantité de matière puis le nombre de
molécules dans 1 L d’eau qui se sont ionisées. Conclure sur le caractère de cette réaction.
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-1
Donnée : NA = 6,02. 10 mol .
II. L’eau douce, l’eau potable et les eaux de boisson
1. La Terre est la seule planète du système solaire à posséder autant d’eau sur sa surface et dans son
atmosphère. Mais elle est très inégalement répartie sur la surface du globe et seule une part limitée de toute cette
eau est directement disponible pour notre consommation. Quelle est la couleur donnée à la Terre par les premiers
astronautes à l’observer à distance ?
2. Comparer l’importance des pluies sur les océans puis sur les continents avec les phénomènes d’évaporation. En
déduire le sens de circulation de l’eau entre les océans et les continents.
3. Quel est le pourcentage en eau douce de l’eau disponible sur Terre ?
En France, chaque individu utilise en moyenne 150 litres d’eau par jour alors que plus d’un milliard d’hommes sur
Terre ont moins de 20 litres par jour pour vivre.
70 % de l’eau distribuée provient des nappes phréatiques, captées par des puits ou donnant des sources en
surface. Le reste provient des lacs et des rivières.
L’eau contient des gaz dissous (O2, CO2…). Elle contient aussi des matières minérales et des matières organiques
(plancton, pesticides…).
4. L’eau du robinet répond aux critères réglementaires stricts de l’eau potable. Elle doit satisfaire à des normes. Sur
un site (http://lavenvi.free.fr/dossier_norm1.htm), on peut lire :
Norme française pour les paramètres physicoNorme française pour les substances indésirables
chimiques
Chlorures
Sulfates
Magnésium
Sodium
200 mg/l (cl)
250 mg/l (SO4)
50 mg/l (Mg)
150 mg/l (Na)
Nitrates
Nitrites
Ammonium
Azote Kjeldahl
50 mg/l (NO3)
0,1 mg/l (NO2)
0,5 mg/l (NH4)
1 mg/l (N)
Corriger les erreurs (indiquées en gras) sur les formules ou unité écrites.
5. Quelle quantité d’eau de boisson l’être humain doit-il absorber dans une journée ?
Les eaux de boisson sont classées en 3 catégories :
- les eaux de table, de même nature que l’eau du robinet. Elles sont commercialisées en bouteilles ou en
bonbonnes et ont éventuellement subi un traitement.
- les eaux de source, d’origine souterraine. Leur composition peut varier. Elles n’ont subi aucun traitement
chimique, ni additif. Les eaux de source sont des eaux naturellement propres à la consommation humaine.
- les eaux minérales, d'origine souterraine et de composition sensiblement constante. Elles doivent apporter
des propriétés favorables à la santé. Si certaines ne sont guère minéralisées, d’autres sont très riches en
sels minéraux.
6. A partir des étiquettes des eaux de Châteauneuf, du Mont-Dore, de Saint-Yorre et de Volvic, conclure sur la
potabilité de chacune de ces eaux.
7. Parmi les 4 eaux précédentes, citer une eau de source et deux eaux minérales. Quel goût a l’eau de SaintYorre ? Justifier la réponse.
8. Quelles sont les eaux pétillantes ? Quel gaz contiennent-elles ?
9. Calculer la concentration molaire en chacun des ions contenus dans l’eau du Mont-Dore. Vérifier l’électroneutralité de cette eau.
III. L’alcalinité d’une eau
2L’alcalinité d’une eau est principalement due à la présence d’ions carbonate CO3 et hydrogénocarbonate HCO3 .
Olympiades de la Chimie 2010/2011 – « Chimie et Eau »
Evelyne MASSON – Académie de Clermont – Ferrand
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Une eau dont le pH est supérieur à 8,2 contient des ions carbonate. Une eau dont le pH est inférieur à 8,2 ne
contient pas d’ions carbonate mais seulement des hydrogénocarbonates.
On définit le T.A. (titre alcalimétrique) et le T.A.C. (titre alcalimétrique complet):
-1
+
- titre alcalimétrique : c’est le volume (exprimé en mL) d’acide à 0,02 mol. L d’ions H3O nécessaire pour
doser 100 mL d’eau en présence de phénolphtaléine.
-1
+
- titre alcalimétrique complet : c’est le volume (exprimé en mL) d’acide à 0,02 mol. L d’ions H3O
nécessaire pour doser 100 mL d’eau en présence de vert de bromocrésol rhodamine.
1. Lorsqu’elles traversent des sols calcaires, les eaux s’enrichissent en carbonates et bicarbonates (ou
hydrogénocarbonates). L’ion hydrogénocarbonate est une espèce ampholyte. Écrire les équations des deux
réactions possibles des ions hydrogénocarbonate avec l’eau et préciser les couples acide-base.
-
-
2. Les couples (acide, HCO3 ) et (HCO3 , base) ont pour pKA respectifs : pKA1 = 6,4 et pKA2 = 10,3. Sur un axe
gradué en pH, établir le diagramme des espèces prédominantes. Quelle est l’espèce prédominante dans l’eau de
Saint-Yorre, son pH étant de 6,6 ?
3. Les ions hydrogénocarbonate contenus dans une eau de boisson sont dosés avec une solution d’acide
chlorhydrique. Écrire l’équation chimique de la réaction de dosage.
4. A partir du diagramme de distribution des espèces, justifier que le pH à l’équivalence doit se situer aux environs
de 4,5.
3
5. A partir de l’étiquette, déterminer la concentration molaire en ions hydrogénocarbonate de l’eau de Saint-Yorre.
+
-1
Quel serait le volume d’acide de concentration molaire en ions H3O égale à 0,02 mol. L nécessaire pour
déterminer la concentration en ions HCO3 de 100 mL d’eau de Saint-Yorre ? Conclure sur la faisabilité du titrage
et sur le T.A.C. de l’eau de Saint-Yorre. Quel est son T.A. ? Justifier la réponse.
IV. Les eaux dures
2+
2+
La dureté totale d’une eau est donnée par la concentration en ions Ca et Mg . La dureté d’une eau est définie
par le degré hydrotimétrique ou degré français soit :
2+
2+
2+
2+
-1
TH = 10 ([Ca ] + [Mg ]) avec [Ca ] et [Mg ] en mmol. L
Une eau est qualifiée de :
- « douce » si son TH est inférieur à 12
- « dure » si son TH est supérieur à 12
- « très dure » s’il est supérieur à 35.
Calculer le degré hydrotimétrique de l’eau de Volvic. Conclure.
Pour en savoir plus…
- Il n’y a aucun inconvénient à boire une eau dure. Mais une eau trop dure diminue les propriétés
détergentes des lessives et savons.
- Une eau calcaire favorise les dépôts de tartre sur les parois des canalisations, ….
-1
- L’indication « Résidu sec à 180°C» sur une étiquet te indique la teneur globale (en mg. L ) en sels
minéraux de résidus secs après chauffage à 180°C.
Olympiades de la Chimie 2010/2011 – « Chimie et Eau »
Evelyne MASSON – Académie de Clermont – Ferrand
V. Dessalement de l’eau de mer
On utilise actuellement 2 techniques :
- un procédé thermique : la distillation
- un procédé utilisant des membranes : l’osmose inverse
L’eau de mer rendue potable ou utilisable industriellement doit contenir moins de 0,5 g de sels par L.
1. Quel est le principe d’une distillation ?
2. On appelle osmose le phénomène de diffusion de molécules de solvant, en général l’eau à travers une
membrane semi-perméable qui sépare deux liquides de concentrations en soluté différentes. Le passage du
solvant d'un compartiment à l'autre va créer une différence de pression hydrostatique qui va compenser
exactement la différence de pression osmotique.
4
Document : http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-chimie-societe-article-DessalementEauMer.html
Dans quel sens se fait le déplacement d’eau dans le phénomène d’osmose ? Justifier le nom du procédé
d’osmose inverse dans le dessalement de l’eau de mer.
Olympiades de la Chimie 2010/2011 – « Chimie et Eau »
Evelyne MASSON – Académie de Clermont – Ferrand
Des eaux naturelles d’Auvergne….
Composition en mg/L
calcium = 152
magnésium = 36
hydrogénocarbonates = 1799
nitrates < 1
sodium = 651
potassium = 40
sulfates = 195
chlorures = 215
fluorures = 3
résidu sec à 180° C = 21 51
Composition en mg/L
calcium = 4,1
magnésium = 1,7
sodium = 2,7
potassium = 0,9
silice = 32,7
hydrogénocarbonates = 25,8
sulfates = 1,1
chlorures = 0,9
nitrates = 0,8
nitrites = 0,0
résidu sec = 52,2
pH = 7,3
5
Composition en g/L
calcium = 0,078
magnésium = 0,009
sodium = 1,744
sulfates = 0,182
chlorures = 0,329
potassium = 0,115
bicarbonates = 4,263
fluorures = 0,008
nitrates = 0
Composition en mg/L
calcium = 9,9
magnésium = 6,1
sodium = 9,4
potassium = 5,7
silice = 30,0
bicarbonates = 65,3
sulfates = 6,9
chlorures = 8,4
nitrates = 6,3
résidu sec à 180° C = 109
Source : http://pagesperso-orange.fr/water-label
Olympiades de la Chimie 2010/2011 – « Chimie et Eau »
Evelyne MASSON – Académie de Clermont – Ferrand
pH = 7