Diagramme 1 Diagramme 2. À la lecture de ces diagrammes, indiquez le tout premier problème à résoudre pour disposer d eau utilisable par l homme.

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1 RESSOURCES EN EAU ET POTABILITÉ I. L ACCÈS À L EAU POTABLE DANS LE MONDE 1. Potabilité Définition : Une eau est dite POTABLE lorsqu elle est adaptée À LA CONSOMMATION HUMAINE, sans risque pour la santé et sans sensation désagréable. Pour caractériser la potabilité, on s appuie sur un certain nombre de critères : Qualités organoleptiques (qui agit sur les récepteurs sensoriels) : couleurs, saveur, odeur. L eau de consommation doit être limpide, sans odeur et sans goût désagréables. Absence d agents pathogènes : bactéries. Absence de substances toxiques : plomb, arsenic. Seuils concernant certaines espèces chimiques : nitrates ( NO 3- ), chlorure ( Cl - ), par exemple. On pourra distinguer dans la suite une eau potable d une eau propre aux utilisations humaines (irrigation notamment). 2. Réserves d eau directement disponibles Proportions d'eau douce et d'eau salée sur Terre Répartition entre glace et eau liquide 3% 2% 98% 76% Eau salée Eau douce Diagramme 1 Diagramme 2 À la lecture de ces diagrammes, indiquez le tout premier problème à résoudre pour disposer d eau utilisable par l homme. Eau liquide Glace Carte 1: Accès à l'eau potable dans le monde En vous appuyant sur ces trois cartes, dégagez les principales disparités dans l accès à l eau potable dans le monde. Carte 2: Accès à l'eau potable pour les populations rurales Carte 3: Modélisation de l'évolution des précipitations pour une élévation de la température de 1 C EauPotabilite.odt Modifié le 08/11/16 Page 1 sur 5

2 II. RENDRE UNE EAU POTABLE OU UTILISABLE 1. Dessalement L eau étant principalement présente dans les océans avec une salinité plus ou moins élevée, les pays possédant un littoral conséquent ont mis au point des dispositifs permettant de débarrasser l eau des sels dissous. On peut en citer deux grandes catégories : Les procédés basés sur l osmose. Les procédés de distillation. a. Phénomène d osmose Mise en évidence : Voir document vidéo. Proposer une description du phénomène d osmose. Ce procédé est-il à même de dessaler complètement une eau de mer? Phénomène d osmose inverse : Voir document n 1 page 32. b. Distillation Au-delà de l étude de ce procédé, nous allons prendre en compte l aspect énergétique de ces procédés. On tentera d évaluer en particulier l énergie électrique consommée par les dispositifs disponibles au laboratoire avant de tenter de limiter cette consommation. Quelques données : Capacité calorifique massique de l eau liquide : C eau =185 J.kg 1. K 1, à la pression et température normales (on peut la supposer constante en première approximation). Chaleur transférée à une masse m d un corps pour le passer de la température θ i à la température θ f sans changement d état : Q=m C (θ f θ i ). Téb C Chaleur latente de vaporisation de l eau : L=2258 kj.kg 1 à la pression normale. Chaleur transférée à une masse m d un corps pour le faire changer d état : Q=m L. Relation entre puissance électrique consommée, tension et intensité : P=U I. Relation entre énergie et puissance : E=P Δ t si P est constante Pression (hpa) Graphique 1: Évolution de la température d'ébullition de l'eau en fonction de la pression Donner en quelques phrases simples le principe de la distillation. Sur quel phénomène physique ce procédé est-il basé? Mettre en œuvre le dispositif de distillation simple schématisé ci-contre pour un volume d eau salée V=25,0 ml. Noter en particulier le temps nécessaire pour porter ce volume d eau à ébullition et le temps nécessaire à la distillation complète. Effectuer les tests permettant de vérifier la qualité du distillat. L en kj/kg Pression (hpa) Graphique 2: Évolution de la chaleur latente de l'eau avec la pression EauPotabilite.odt Modifié le 08/11/16 Page 2 sur 5

3 Distillation sous pression réduite : Quelle différence présente le montage de distillation sous pression réduite? Dans quel but? On mesure comme précédemment le temps nécessaire pour atteindre l ébullition et le temps nécessaire à la distillation du volume V=25,0 ml d eau salée. Ces mesures sont-elles conformes à vos attentes? Distillation à effets multiples : Cette technique vise à exploiter le principe de la distillation sous pression réduite tout en contournant l obstacle de la forte chaleur latente de vaporisation de l eau. Voir Document n 2 page 31 Question Quelques tests et titrages pour évaluer la potabilité d une eau On se propose de s intéresser à quelques facteurs influençant la qualité d une eau de consommation : La présence de métaux lourds : cas du plomb. La teneur en ions nitrates (NO 3- ). La présence de matière organique (indice permanganate d une eau). La concentration en dioxygène dissous. a. Métaux lourds Illustration 1: Schéma d'un dispositif de distillation à effets multiples Voir Document n 2 page 3. On prend l exemple DU PLOMB, responsable de troubles neurologiques (saturnisme). Il s accumule dans les organismes et dans la chaîne alimentaire. La législation fixe actuellement la teneur maximale à 25μ g.l 1. À compter du mois de décembre 2013, cette limite sera ramenée à 10μ g. L 1 par une directive européenne. Masse molaire du plomb : M(Pb)=207,2g.mol 1. Déterminer la concentration molaire en ions plomb [Pb 2+ ] correspondant à ces deux limites. Rappeler le test de mise en évidence des ions plomb en solution aqueuse. On met en évidence les ions plomb à l aide d ions iodure : formation d un précipité jaune : PbI 2 La solubilité du iodure de plomb PbI 2 est s=1, mol.l 1. Ce test est-il suffisamment sensible pour détecter des teneurs en plomb proches des seuils autorisés? Traitement d une eau contaminée au plomb : Il existe des dispositifs individuels permettant de débarrasser l eau des ions plomb. Les cartouches filtrantes permettent théoriquement d abaisser la teneur en plomb de 50μ g.l 1 20μ g.l 1, soit en dessous de la norme actuelle mais au-delà de la future norme européenne. Proposer un protocole permettant de vérifier l action d une cartouche filtrante et le mettre en œuvre. b. La pollution aux nitrates L origine des nitrates dans l eau de consommation provient essentiellement des activités agricoles (lessivages des engrais, épandage de lisiers riches en azote, etc...). Outre l impact sur la santé publique, les nitrates sont aussi à l origine de problèmes environnementaux tels que les marées vertes. Une directive européenne fixe la teneur maximale en nitrates à 50 mg.l 1 même s il est admis qu un taux de 25 mg.l 1 serait préférable. à EauPotabilite.odt Modifié le 08/11/16 Page 3 sur 5

4 Titrage des ions nitrates : Le protocole s appuie dans un premier temps sur la réaction d oxydoréduction entre les ions nitrate et le cuivre en milieu acide. Dans un second temps on utilise la réaction de complexation de l ion tétraamminecuivre (TAC) Cu ( NH 3 ) 2+ de couleur bleue. L intensité de la teinte de la solution dépend directement de la concentration en ions complexes. Une méthode spectroscopique permet d exploiter quantitativement la réaction de complexation en mesurant son ABSORBANCE. Données et informations complémentaires : - Couples oxydant-réducteur concernés : NO 3 (aq) / NO (g) et Cu 2+ (aq) /Cu (s). Équation de complexation : Cu 2+ (aq) + NH 3(aq) Cu (NH 3 ) 2+. Masse molaire du sulfate de cuivre pentahydraté CuSO, 5H 2 O : M Cu ( SO ) =29,7 g.mol 1 Absorbance : L absorbance caractérise la capacité d un milieu à absorber la lumière à une longueur d onde donnée. Si on note I 0 l intensité de la lumière incidente et I l intensité lumineuse transmise, l absorbance se définit par la relation : A=log( I 0 I ). Loi de Beer-Lambert : Pour une solution colorée, l absorbance dépend des espèces chimiques présentes, de la longueur l du trajet de la lumière dans le milieu et de la concentration C en espèce chimique colorée. La loi de Beer-Lambert traduit cette multiple dépendance : A=ϵ(λ) l C. ϵ(λ) dépend du spectre d absorption de l espèce chimique coloré. Pour une espèce chimique donnée et pour une longueur de cuve fixée, on a donc une relation de proportionnalité entre l absorbance et la concentration : A=k C. Graphique 3: Spectre d'absorption de l'ion tétraamminecuivre (II) Réactions mises en jeu : 1. Écrire les demi-équations d oxydoréduction en milieu acide des couples mentionnés précédemment. 2. En déduire l équation de la réaction du cuivre solide avec les ions nitrate. 3. Si le cuivre est le réactif en excès, quelle est la relation entre le nombre de moles d ions cuivre (II) formés n f ( Cu 2+ ) et le nombre de moles d ions nitrate initialement présents n 0 ( NO 3- )?. Expliquer qualitativement comment il est possible de relier la mesure d absorbance dans une solution d ions complexes TAC à la concentration en ions nitrates d un échantillon d eau à analyser. Protocole Première phase : réduction des ions nitrate et oxydation du cuivre en ions cuivre II On réalise la réduction des ions nitrate par le cuivre en milieu acide, à chaud, dans un dispositif de chauffage à reflux : on introduit dans le ballon 5,0 ml de l eau étudiée, une dizaine de copeaux de cuivre (on s assure que les nitrates sont le réactif limitant) et 5,0 ml d acide sulfurique concentré (PORTER GANTS ET LUNETTES). On chauffe à reflux pendant environ une heure, SANS PORTER LE MÉLANGE À ÉBULLITION. Identifier les différentes parties du montage ci-contre Schéma 1: Montage de chauffage à reflux EauPotabilite.odt Modifié le 08/11/16 Page sur 5

5 Protocole Deuxième phase : préparation du titrage spectrophotométrique, é talonnage du spectrophotomètre On dispose d une solution S 0 d ion complexe Cu ( NH 3 ) 2+ obtenue en dissolvant 250 mg de sulfate de cuivre CuSO, 5H 2 O dans 50,0 ml d une solution d ammoniac S. À partir de cette solution, on prépare les solutions filles S 1, S 2 et S 3 en mélangeant S 0 et S comme indiqué dans le tableau ci-dessous. S 1 S 2 S 3 S 0 (Volume en ml) 7,5 5,0 2,5 S (Volume en ml) 2,5 5,0 7,5 1. Quelle longueur d onde doit être utilisée sur le spectrophotomètre? Justifier. 2. Régler la longueur d onde λ en fonction de la réponse à la question précédente et mesurer l absorbance A de chacune des solutions. Solution S 0 S 1 S 2 S 3 [ Cu ( NH 3 ) 2+] Absorbance A Facteur de dilution : f = C 0 C fille = V fille V mère 3. Tracer la courbe d étalonnage A=f ([Cu (NH 3 ) 2+ ]). Quelle est l utilité d une telle courbe? Protocole Troisième phase : détermination de la teneur en nitrate de l eau prélevée Après avoir coupé le chauffage à reflux, transvaser la solution sans les résidus de cuivre dans un erlenmeyer immergé dans un bain glacé. S ÉQUIPER DE GANTS ET LUNETTES DE PROTECTION POUR LA SUITE. Verser PROGRESSIVEMENT 25,0 ml d une solution concentrée d ammoniac. Transférer le mélange obtenu dans une fiole jaugée de 100,0 ml et compléter avec de l eau distillée jusqu au trait de jauge. On appelle S eau la solution ainsi obtenue. 1. Mesurer l absorbance de la solution S eau. 2. En déduire la concentration en ions complexes [ Cu ( NH 3 ) 2+ ] dans la solution S eau. 3. En déduire le nombre de moles d ions cuivre n ( Cu 2+ ) formés lors de la première phase du TP ainsi que le nombre de moles initial d ions nitrate n ( NO 3- ) présents dans le prélèvement d eau de rivière traité.. En déduire la teneur en nitrate de cette eau, d abord en mol.l 1, puis en mg.l -1. EauPotabilite.odt Modifié le 08/11/16 Page 5 sur 5