Activité expérimentale sur la composition des océans

TP N°1: Eau de mer et composition chimique
I. COMPETENCES TRAVAILLEES
S'approprier : Extraire et exploiter des informations sur la composition des océans
Réaliser : Pratiquer une démarche expérimentale permettant de mesurer la salinité
d’une eau de mer.
Valider : Exploiter des mesures; Maîtriser l'usage des chiffres significatifs ; Être
critique sur les mesures et résultats ; Identifier les différentes sources d'erreur lors
d'une mesure : variabilité du phénomène et de l'acte de mesure.
Communiquer : Utiliser les notions et le vocabulaire scientifique adapté ;
présenter une conclusion de manière cohérente complète et compréhensible.
Etre capable de rédiger un protocole opératoire.
II. EAU DE MER ET SALINITE
Document 1 : eau de mer et composition chimique
http://lecalve.univ-tln.fr/oceano/fiches/fiche3B.htm
L'eau de mer est constituée de 96,5% d'eau pure et 3,5% d'autres substances comme les sels, les gaz dissous, les
substances organiques et des particules solides. Ses propriétés physiques sont principalement dues aux 96,5% d'eau
pure.
L'océan contient en moyenne 35 grammes de sel par kilogramme d'eau de mer. Si on considère le volume total
de l'océan (1370 millions de km3) cela représente 48 millions de milliards de tonnes de sel, soit 95 tonnes par
m² sur le globe entier, ou 320 tonnes par m² sur les parties émergées.
La présence de sel dans l'eau modifie certaines propriétés (densité, compressibilité, point de congélation,
température du maximum de densité). D'autres (viscosité, absorption de la lumière) ne sont pas influencées de
manière significative. Enfin certaines sont essentiellement déterminées par la quantité de sel dans l'eau
(conductivité, pression osmotique).
Le chlorure de sodium (Na Cl) n'est qu'un des très nombreux sels composant la solution. On a décelé dans l'eau
de mer 60 des 92 corps simples existant à l'état naturel. Certains n'ont peut-être pas encore étés découverts, car
ils existeraient en trop faible quantité. En effet certains corps ne sont décelables qu'après avoir été concentrés
par des organismes marins ayant un pouvoir de concentration de 103 à 107 , citons par exemple le cobalt
(homards et moules), le nickel (certains mollusques), le plomb (cendres d'organismes marins).
On donne dans le tableau suivant les principaux composants d'une eau de mer de salinité 35 :
Anions (en g/kg)
Cations (en g/kg)
Chlore Cl-
18,9799 Sodium Na+
Sulfate SO4--
2,6486
10,5561
Magnésium Mg++ 1,2720
Bicarbonate HCO3- 0,1397
Calcium Ca++
0,4001
Brome Br-
0,0646
Potassium K+
0,3800
Fluor F-
0,0013
Strontium Sr++
0,0135
Le pH de cette solution est voisin de 8,2 (légèrement alcalin). Les gaz dissous sont constitués à 64% d'azote et
34% d'oxygène. Les concentrations diminuent quand la température et la salinité augmentent. La proportion de
CO2 est 60 plus forte dans la mer que dans l'air (1,8% au lieu de 0,03%). L'océan apparaît donc comme un
régulateur de la teneur en CO2 de l'atmosphère.
Un aspect important de l'eau de mer est que si la concentration totale des sels dissous varie en fonction du lieu,
la proportion des composants les plus importants reste à peu près constante. Cela tend à prouver que sur une
échelle de temps géologique, les océans ont été bien mélangés, c'est à dire que malgré les circulations
particulières à chaque océan, l'eau circule entre les différents océans.
Mais la concentration totale peut varier d'un endroit à l'autre et d'une profondeur à l'autre. Il existe des
processus continus pour concentrer et dissoudre l'eau de mer en certaines régions.
Définitions de la salinité
Il n'existe pas une mais plusieurs définitions de la salinité : une définition purement théorique et plusieurs
définitions pratiques, liées aux méthodes de mesure. Voici une définition théorique de la salinité :
La salinité est la quantité totale des résidus solides (en grammes) contenu dans 1 kg d'eau de mer, quand
tous les carbonates ont été transformés en oxydes, le brome et l'iode remplacé par le chlore et que toute la
matière organique a été oxydée.
Il est très difficile d'estimer la salinité par analyse chimique directe (séchage et pesée du résidu solide), car
certains corps présents, notamment les chlorures, s'échappent au cours du dernier stade de séchage. On utilise le
fait que, dans l'eau de mer, les proportions relatives des principaux constituants sont pratiquement constantes.
Le dosage de l'un d'entre eux est donc susceptible de donner la teneur de tous les autres, ainsi que la salinité.
Les ions chlorures, bromures et iodures peuvent aisément être dosés, avec précision, par titrage au nitrate
d'argent.
La relation entre la salinité et la chlorinité a été définie en 1902 à partir de nombreuses mesures de laboratoires
sur des échantillons provenant de toutes les mers du globe. La chlorinité étant la quantité (en g/kg) d'ions
chlorure, bromure et iodures qui tout trois sont précipités lors du titrage au nitrate d'argent.
S = 0,03 + 1,805 Cl
S salinité, Cl chlorinité.
Un inconvénient majeur est que cette formule donne une salinité de 0,03 pour une chlorinité nulle. L'UNESCO
a donc proposé en 1969 une nouvelle formule définissant ce qu'on appelle la salinité absolue :
S = 1,80655 Cl
Ces définitions ont été revues quand de nouvelles techniques permettant de déterminer la salinité à partir de
mesure de conductivité, température et pression, furent développées. Depuis 1978, l'échelle pratique de salinité
définie la salinité en terme de rapport de conductivité :
La salinité pratique (symbole S), d'un échantillon d'eau de mer, est définie en fonction du rapport K de la
conductivité électrique de cet échantillon d'eau de mer à 15°C et à la pression atmosphérique normale, et de
celle d'une solution de chlorure de potassium dans laquelle la fraction en masse de KCl est 0,0324356, à la
même température et même pression. Une valeur de K égale à 1 correspond par définition à une salinité
pratique égale à 35.
La formule correspondante est :
S = 0,0080 -0,1692 K1/2 + 25,3853 K + 14,0941 K3/2 - 7,0261 K2 + 2,7081 K5/2
On peut trouver quelques différences entre toutes ces définitions, mais elles sont en général négligeables. Par
contre dans le cas où la composition de l'eau de mer n'est pas "standard", (par exemple à proximité des fleuves)
seule l'analyse chimique (séchage et pesée) donne un résultat valable.
Depuis l'introduction de l'échelle pratique de salinité, la salinité n'est plus définie comme un rapport de masse
et s'exprime sans unité (comme par exemple le pH). On trouve encore dans la littérature des valeurs de salinité
exprimées en g/kg ou encore en psu (practical salinity unit).
Document 2 : conductivité d’une solution
a) Conductance G
Les électrolytes conduisent le courant électrique.
Le passage du courant est assuré par une double migration d’ions :
- les cations se dirigent vers la cathode (-)
- les anions vers l’anode (+).
Le champ électrique uniforme entre les deux
électrodes permet le mouvement des particules
chargées électriquement.
Les deux électrodes délimitent une portion d’électrolyte qui comme tous conducteurs électriques possèdent une
résistance R.
Pour l’analyse quantitative, on mesure non pas la résistance R mais la conductance G de la portion
d’électrolyte.
1 I
en Ω-1 ou S
G 
R U
Rappel d’électricité →
R dépend de : - la nature
l
- la composition du conducteur
R
S
- la géométrie
.
- la température
Dans notre dispositif, l et S ne varie pas. Par contre, ρ la résistivité va changer en fonction de la nature et de la
concentration de l’électrolyte placé dans la portion délimitée par les deux électrodes.
b) Conductivité σ
1 S
S

 l
l
-1
σ est la conductivité de l’électrolyte en S.m
La conductance s’exprime alors : G 

1

c) Conductivité molaire d’un ion
La conductivité mesure donc l’aptitude d’un électrolyte à conduire le courant électrique. Elle dépendra de la
nature, du nombre d’ions présents et de la température.
Pour un ion X, à une T° donnée, le nombre d’ions X présents et donc sa concentration sont proportionnels à la
conductivité.
On peut écrire :    c
λ s’appelle la conductivité molaire de l’ion (S.m2.mol-1)
d) Conductivité d’une solution
La conductivité d’une solution et la somme des conductivités de tous les ions qu’elle contient :
Loi de Kohlrausch :
 Solution    i   i  i c i
Conductivité molaire de quelques ions
à 20°C
Document 3 : le conductimètre
Un conductimètre, relié à une cellule conductimétrique, est un appareil qui permet de mesurer la conductivité σ
d’une solution ionique ? Avant d’être utiliser le conductimètre doit généralement être étalonné avec une
solution étalon dont la conductivité est connue. En générale, une solution de KCl.
Méthode d’étalonnage :
- introduire la solution étalon dans le bêcher.
- chercher le calibre donnant la mesure de conductivité σ la plus précise.
- ajuster la valeur de la conductivité à la valeur indiquée sur le flacon de la solution étalon avec le bouton
d’étalonnage.
S’approprier : extraire des informations et reformuler
a) Quelle est la valeur moyenne de la salinité des océans ?
b) Pourquoi le sel joue-t-il un rôle important dans le fonctionnement des océans ?
c) Comment peut-on mesurer simplement la salinité pratique d’une eau de mer ? Quel inconvénient présente
cette méthode d’analyse ?
Analyser : élaborer un protocole
d) A l’aide des documents fournis, proposer un protocole précis et clairement construits permettant de mesurer
la salinité de l’eau de mer à Tahiti en effectuant une simple mesure conductimétrique
Réaliser : effectuer des mesures
e) Après validation du professeur, mettre en œuvre votre protocole.
Analyser
Un dosage par titrage direct est une technique de dosage mettant en œuvre une réaction chimique. La réaction
de titrage doit être quantitative, c'est-à-dire totale, rapide et unique.
Les ions chlorures peuvent être titrés par une solution de nitrate d’argent (Ag++NO3-) par suivi
conductimétrique. Les ions argent et chlorure se lient et forment une entité neutre, non soluble dans l’eau :
Ag+(aq) + Cl-(aq)  AgCl(s)
L’équivalence d’un dosage est atteinte lorsqu’on a réalisé un mélange stœchiométrique du réactif titrant et
réactif titré. Les deux réactifs sont alors complètement transformés.
Dans le cas du dosage des ions chlorures : à l’équivalence, on a autant d’ions Ag+ ont été apportés qu’il y avait
d’ions Cl- : n(Ag+) = n(Cl-), soit c1V1=c2V2 avec c1=concentration de la solution de nitrate d’argent connue ;
V1=volume de solution de nitrate d’argent versée connue ; c2= concentration en ions Cl- inconnue ; V2=volume
d’eau de mer connu
Réaliser : suivre un protocole donné
-
Diluer au 1/10 l’eau de mer mis à votre disposition.
Remplir la burette graduée de 25,0 mL avec la solution de nitrate d’argent à 5,0 ± 0,1.10-2mol.L-1 ;
ajuster le zéro.
Avec une pipette jaugée, verser 10,0mL de solution diluée dans un bêcher de 250 mL.
Mettre en place un place un barreau aimanté et placer la cellule conductimétrique.
Ajouter environ 100 mL pour immerger la cellule conductimétrique.
Sous agitation magnétique, introduire progressivement la solution de nitrate d’argent et relever tous les
millilitres la valeur de la conductivité de la solution jusqu’à avoir versé 20,0 mL de nitrate d’argent.
f) Représenter graphiquement la conductivité mesurée en fonction du volume de solution titrante coulée.
g) Déterminer la concentration molaire de la solution.
h) Déterminer la concentration molaire de l’eau de mer.
i) En déduire la chlorinité de l’eau de mer après avoir effectué avec le professeur une mesure de densité.
j) Comparer votre résultat à celui trouver avec la première méthode. Commenter.