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1 1L : Alimentation et environnement Chapitre.1 : Les eaux naturelles I. Eaux de source et eaux minérales Activité.1 : Lire le texte et répondre aux questions. Selon la définition adoptée par la Communauté européenne, l eau de source est une eau souterraine captée par aménagement d une source ou par forage, dont la qualité chimique et bactériologique est naturellement conforme aux normes de potabilité et qui peut être distribuée sans traitement. Seuls sont autorisés les traitements permettant d éliminer les «éléments instables», c est-àdire quelques gaz contenus dans l eau qui s échappent quand on l aère, et aussi le fer et le manganèse qui en général précipitent lors de l aération et sont éliminés par décantation et filtration. Il est possible de réinjecter dans l eau du gaz carbonique (pour la rendre «gazeuse»), en principe avec le gaz naturel des sources, parfois avec du gaz artificiel. Tout autre traitement est interdit. Les eaux de source sont en général mises à la disposition du consommateur en bouteilles ou en conteneurs, à des prix environ cent fois supérieurs à celui des eaux de distribution publique, à cause du coût de l emballage et du transport. Le label d eau minérale s applique à certaines eaux de source ayant en principe des vertus particulières pour la santé. Ce label est accordé par une autorité nationale de santé, en France, il s agit de l académie de médecine et du ministère de la santé. Après enquête, ces eaux minérales peuvent être déclarées d utilité publique. Comme les eaux de source, elles ne peuvent subir aucun traitement, mis à part l élimination des «éléments instables» et la regazéification. Mais, contrairement aux eaux de source, elles peuvent ne pas être conformes aux normes de potabilité, l autorité de santé étant seule juge de l opportunité de distribuer de telles eaux. Certaines eaux minérales sont simplement des eaux de source avec un équilibre minéral jugé favorable par l autorité de santé, d autres sont au contraire très chargées et constituent de véritables médicaments à consommer avec modération. Ghislain de MARSILY, L Eau. Editions Flammarion. Questions : a) Que peut-on éliminer dans une eau de source? Dans une eau minérale? b) Que peut-on rajouter à une eau de source? A une eau minérale? c) Les eaux de source sont-elles toujours potables? Et les eaux minérales? II. Composition chimique d une eau minérale Activité.2 : Etiquettes d eaux minérales a) A l aide des indications portées sur leurs étiquettes, compléter le tableau suivant en indiquant la composition minérale de chacune des eaux. Concentration des ions en mg.l -1 Calcium Ca 2+ Magnésium Mg 2+ Sodium Na + Potassium K + Sulfate SO 4 2- Hydrogénocarbonate (ou bicarbonate) HCO 3 - Chlorure Cl - Nitrate NO 3 - Vichy St-Yorre b) Indiquer pour chacune des eaux minérales la masse de son résidu à sec, indiquée sur son étiquette. Eau minérale Résidu à sec en mg c) Les eaux dont le résidu à sec dépasse 2 g.l -1 ne sont pas conseillées pour la consommation courante. Quelles sont parmi les eaux du tableau précédent celles qui ne sont pas adaptées à une consommation courante? d) Classer les différentes eaux minérales en eaux fortement, moyennement et faiblement minéralisées. e) On distingue plusieurs catégories d eau selon les ions présents en plus grande quantité : - Les eaux bicarbonatées calciques - Les eaux chlorurées sodiques - Les eaux sodiques bicarbonatées - Les eaux sulfatées calciques A quelle catégorie appartient chacune des eaux étudiées précédemment? 1L : Les eaux naturelles 1/7

2 III. Dureté d une eau Une eau contenant beaucoup d ions magnésium Mg 2+ et calcium Ca 2+ est une eau << dure >>. 1. Etude de l action d une eau savonneuse sur différentes eaux minérales Préparation d une liqueur de savon : Expérience au bureau Une liqueur de savon est obtenue par dissolution à chaud de petits morceaux de savon de Marseille dans un ballon contenant de l alcool à 90 surmonté d un réfrigérant à eau servant à condenser les vapeurs d alcool (voir schéma ci- dessous). Après refroidissement on ajoute de l eau distillée dans le ballon. Sortie d eau tiède Réfrigérant ttt à eau Entrée d eau froide Savon + alcool à 90 + pierre ponce Chauffe ballon électrique Support élévateur Test à l eau savonneuse : Dans trois tubes à essais différents verser 5 ml de différentes eaux (, et ) puis y ajouter 10 gouttes de la liqueur de savon. Boucher l extrémité de chaque tube avec un bouchon puis le retourner sans agiter afin d homogénéiser le mélange. Observations : Complète le schéma ci-dessous, en indiquant l importance du trouble (précipité) qui apparaît dans chaque tube : Interprétations : Plus les troubles sont importants plus les eaux sont dures, plus leur degré hydrotimétrique français ( THF) ou ( F) est important. Les ions calcium Ca 2+ et les ions magnésium Mg 2+ nuisent à l action des savons et des lessives. Dans ces dernières un anticalcaire est ajouté, il fixe les ions calcium et magnésium et évite ainsi la formation de précipités avec les détergents. Les eaux dures peuvent aussi former des produits qui entartrent les canalisations et les installations de chauffage. 2. Activité.3 : a) Compléter le tableau suivant (voir activité.2) Eaux minérales Concentration en ions calcium Ca 2+ (mg.l -1 ) Concentration en ions magnésium Mg 2+ (mg.l -1 ) Concentration totale en ions calcium et magnésium (mg.l -1 ) 1L : Les eaux naturelles 2/7

3 b) Indiquer si les résultats expérimentaux sont en accord avec les indications des étiquettes. c) Comparer le THF de l eau de éville par rapport aux THF des trois eaux minérales ci-dessus (justifier le résultat par un calcul simple) 3. Degré hydrotimétrique français et dureté d une eau : L'eau est composée de nombreux éléments minéraux et organiques dont la richesse est fonction des sols qu'elle a traversé. Quand l'eau contient une quantité significative de calcium (Ca) et de magnésium (Mg), on dit qu'elle est dure ou calcaire. En réalité dans l'eau froide, il n'y a pas de calcaire mais du calcium et du magnésium, c'est à dire deux bons sels minéraux et ce n'est qu'en chauffant l'eau que ces minéraux calcium et magnésium se transforment en carbonate de calcium et carbonate de magnésium appelés communément calcaire ou tartre. Ainsi, la dureté de l'eau dépend principalement de la concentration des ions de calcium (Ca 2+ ) et des ions de magnésium (Mg 2+ ). Les ions du fer, de l'aluminium et du manganèse moins concentrés n'interviennent que modérément dans la dureté de l eau. L'unité utilisée pour exprimer la dureté de l'eau est le degré hydrotimétrique français ( F) ou le Titre Hydrotimétrique ( THF) qui correspond à la dureté d'une solution contenant 10 mg/l de carbonate de calcium (CaCO3). Un F équivaut à 4 mg de calcium par litre et à 2,4 mg de magnésium par litre. Le TH est inférieur à 10 F, l'eau est très douce et à tendance naturelle corrosive. De 10 à 20 F l eau est douce. Dans ces 2 cas il ne faut surtout rien faire qui réduirait le TH. La limite inférieure du degré hydrotimétrique pour les eaux destinées à la consommation humaine et n'ayant pas subi de traitement thermique est fixée à 15 F. Un peu de tartre protège les canalisations et évite le risque de corrosion qui dissout les métaux des canalisations tels que le fer ou le plomb nocif pour notre organisme. De 20 à 30 F, l'eau est réputée moyennement dure. Le ministère de la santé qualifie d'idéal un TH compris entre 15 et 25 F pour l'eau de consommation. De 30 à 40 F, l'eau est définie dure et très dure au-delà de 40 F, l'usage d'un adoucisseur doit être envisagé. Le tartre est responsable de surcoûts (énergie, lessives, détartrants) et de dégradations importantes au niveau des cumulus, chaudières et robinetteries. IV. Tests gustatifs sur des eaux de consommation Activité.4 : Faites goûter à votre binôme successivement cinq eaux différentes dont l eau du robinet en indiquant la nature de ces eaux. Ensuite, à leur insu, remplissez cinq verres avec ces cinq eaux, et demandez-leur de les identifier. V. Dosage des ions chlourure dans une eau minérale 1. But du dosage : Doser les ions chlorure dans une minérale c est déterminer leur concentration molaire C en mol.l -1 ou leur concentration massique T en g.l -1 (ou en mg.l -1 ). 2. Définitions : Voir programme 2 nde C = n V ou n = C.V C : concentration molaire en ions chlorure Cl - en mole par litre (mol.l -1 ) n : quantité de matière en ions chlorure en mole (mol) V : volume de la solution en litre (L) T = m V ou m = T.V T : concentration massique en ions chlorure Cl - en gramme par litre (g.l -1 ) m : masse en ions chlorure en gramme (g) V : volume de la solution en litre (L) Sachant que n = m/m, où M représente la masse molaire de l ion chlorure Cl - en gramme par mol (g.mol -1 ), trouver la relation entre C et T : 3. Application : Données : masse molaire de l ion chlorure M(Cl - ) = 35,5 g.mol -1 Dans une eau minérale Vichy-Célestins la concentration massique T en ions chlorure est de 227 mg.l -1. a) Exprimer T en g.l -1. 1L : Les eaux naturelles 3/7

4 b) Calculer la concentration molaire C en mol.l -1 des ions chlorure. c) Calculer la quantité n d ions chlorures présents dans une bouteille de 1,5 L. 4. Principe du dosage : Dans un tube à essais contenant des ions chlorure ajouter quelques gouttes d une solution de nitrate d argent. Solution de nitrate d argent (Ag + + NO 3 - ) Solution contenant des ions chlorure Cl - Observation : Interprétation : Les cations argent Ag + et les anions chlorure Cl - réagissent entre eux pour donner un précipité blanc solide le chlorure d argent AgCl (s), suivant l équation bilan : Ag + + Cl - AgCl (s) Réaliser la même expérience en mettant dans le tube à essais des ions chlorure et des ions chromate CrO 4 2- Observation : Interprétation : Les ions argent Ag + précipitent d abord avec les ions chlorure Cl -, puis quand tous les ions chlorure Cl - ont réagi il se forme un précipité rouge brique de chromate d argent Ag 2 CrO 4(s) 5. Activité.5 : Réalisation du dosage (voir schéma ci-dessous) Dans un erlenmeyer, ajouter à l aide d une pipette un volume V 1 = 20,0 ml d une solution S 1 d eau de Vichy St. Yorre de concentration C 1 inconnue en ions chlorure, ajouter une dizaine de gouttes d une solution jaune de chromate de sodium. Mettre en route délicatement l agitation magnétique. Ajouter à la burette graduée, après avoir ajusté le zéro, une solution S 2 de nitrate d argent (Ag + + NO - 3 ) de concentration C 2 = 2, mol.l -1 jusqu à l apparition d un précipité rouge brique. Le volume V eq de nitrate d argent ajouté, est appelé volume équivalent V eq. Noter le volume équivalent : V eq = ml Recommençons un deuxième dosage permettant de déterminer plus précisément le volume équivalent : V eq = ml Burette graduée Solution de nitrate d argent Support Pince Noix 20,0 ml de + 10 gouttes de de chromate de potassium Erlenmeyer Barreau aimanté Agitateur magnétique Support élévateur 1L : Les eaux naturelles 4/7

5 6. Activité.6 : Exploitation des résultats du dosage Notons : n(cl - ) : quantité de matière en ions chlorure Cl - présente dans le volume V 1 de l eau de n 1 (Ag + ) : quantité de matière en ions argent ajouté avant l équivalence n eq (Ag + ) : quantité de matière en ions argent ajouté à l équivalence n 2 (Ag + ) : quantité de matière en ions argent ajouté après l équivalence Avant l équivalence A l équivalence Après l équivalence n(cl - ) n 1 (Ag + ) n(cl - ) n e (Ag + ) n 1 (Ag + ) A l équivalence indiquée par l apparition du précipité rouge brique, la quantité en ions chlorure n(cl - ) présents initialement dans la solution S 1 de l eau de, de concentration C 1 inconnue, est égale à la quantité en ions argent n e (Ag + ) apportés par l ajout du volume V eq de la solution de nitrate d argent de concentration C 2, d où la relation à l équivalence : n(cl - ) n 2 (Ag + ) C 1.V 1 = C 2.V eq C 1 = C 2.V eq V 1 Connaissant C 2, V eq et V 1 on peut alors déduire, par calcul, la valeur inconnue de la concentration C 1 en ions chlorure de la solution S 1 de l eau de. Déduire des valeurs expérimentales trouvées lors du dosage, la valeur de C 1 (Attention aux unités!!) : Calculer la concentration massique T 1 (en mg.l -1 ) en ions chlorure de l eau de : Comparer cette valeur avec celle indiquée sur l étiquette de l eau de : VI. d une solution aqueuse 1. Signification du d une solution : Le d une solution permet de caractériser son acidité due à la présence plus ou moins importante des ions H 3 O +. La valeur du varie de 0 à 14. Pour un 7 : la solution est acide Pour un = 7 : la solution est neutre Pour un 7 : la solution est basique Solutions acides Acidité croissante Solutions neutres Solutions basiques Basicité croissante 2. Activité.7 : Relever la valeur du sur les différentes étiquettes des eaux étudiées précédemment et compléter le tableau suivant : Eau minérale Classer ces différentes eaux en : - Eau acide - Eau basique - Eau neutre - Eau légèrement acide - Eau légèrement basique 1L : Les eaux naturelles 5/7

6 3. Mesure de la valeur du : 3.1. Papier indicateur universel (ou papier ) : Le papier permet d avoir un ordre de grandeur de la valeur du. On dépose une goutte de la solution à l aide d un agitateur en verre sur un petit morceau de papier, suivant la couleur prise par le papier, et par comparaison sur l échelle de teinte, on déduit une valeur approchée (à l unité près) du Les indicateurs colorés : Ce sont des solutions dont la couleur varie suivant l acidité du milieu. Il s agit de savoir si un milieu est acide, basique ou neutre. Exemple : Le bleu e bromothymol ou (BBT) est un indicateur coloré de couleur jaune en milieu acide, verte en milieu neutre et bleu en milieu basique 3.3. Activité. 8 : Dans un tube à essais contenant une solution verte de bleu de bromothymol, ajouter quelques gouttes d eau de éville. Solution de éville Solution de bleu de bromothymol (BBT) Observation : Donner un ordre de grandeur du de l eau de éville. Remarque : En général les eaux minérales ont un compris entre 6 et 8, elles sont donc faiblement acide ou neutre ou faiblement basique Le -mètre : expérience au bureau Pour déterminer la valeur du avec plus de précision il suffit d utiliser un -mètre muni de son électrode. Celui-ci doit être préalablement être étalonné avec des solutions de parfaitement connu appelées solutions tampons. Déterminons la valeur du des différentes eaux rencontrées précédemment à l aide d un -mètre, et complétons le tableau suivant : Eau minérale éville 1L : Les eaux naturelles 6/7

7 1L : Eaux naturelles Exercices d application Exercice.1 : On dispose de trois eaux minérales, dont les concentrations en ions calcium sont : Eau n 1 : 9,9 mg.l -1 Eau n 2 : 67 mg.l -1 Eau n 3 : 253 mg.l -1 Dans un trois tubes à essais, on verse 5 ml de liqueur de savon, et on ajoute 3 ml de chacune des eaux. On bouche les trois tubes, et on agite pour faire mousser le savon. 1. Quels sont les deux ions responsables de la dureté d une eau? Donner leur formule chimique. 2. Quelle est l eau la plus douce? Quelle est l eau la plus dure? 3. Quel est le tube qui contient le plus de mousse? Le moins de mousse? 4. Quel inconvénient de la dureté d une eau cette expérience illustre-t-elle? Citer un autre inconvénient. Exercice. 2 : Sur une boîte de lessive, on peut lire les indications suivantes : << Doses de lessive pour une machine de 4 à 5 kg de linge normalement sale : Pour une eau peu dure ( 20 F) : 100 ml. Pour une eau dure (20 F à 35 F) : 125 ml. Pour une eau très dure ( 35 F) : 175 ml >>. La dureté d une eau s exprime en degré hydrotimétrique français ( TH ou F). 1 F représente la dureté d une eau contenant 4 mg d ions calcium par litre. 1. Les ions calcium sont-ils les seuls responsables de la dureté d une eau? 2. Une eau dure a-t-elle un degré hydrotimétrique plus fort ou plus faible qu une eau douce? 3. Pourquoi la quantité de lessive utilisée augmente-t-elle en cas d eau très dure? 4. Quel est l inconvénient pour l environnement? 5. A quelle masse d ions calcium par litre correspond une de dureté 35 F? 6. La dureté idéale correspond à une concentration en ions calcium de 60 mg.l -1, quel est le degré hydrotimétrique correspondant? Exercice. 3 : Un adoucisseur d eau a pour fonction de rendre une eau plus douce. Il modifie les caractéristiques chimiques de l eau en éliminant les ions calcium et magnésium. Il permet ainsi de diminuer la dureté de l eau et ainsi d éviter le dépôt de tartre. Dans un adoucisseur l eau traverse une résine << échangeuse d ions >>, contenant des ions sodium Na +. Les ions calcium et magnésium viennent se fixer sur la résine, qui en retour libère des ions sodium, non entartrant. Quand la résine est saturée, il faut la régénérer avec une saumure composée d eau salée très riche en chlorure de sodium (Na + et Cl - ). 1. Quel est le défaut d une eau dure, cité dans l énoncé? 2. Pourquoi les résines qui équipent les adoucisseurs sont-t-elles qualifiées << d échangeuses d ions >>? 3. Pourquoi les ions sodium sont-ils utilisés pour remplacer les ions calcium et magnésium? 4. Pourquoi la résine est-elle régénérée avec de l eau très salée? Exercice.4 : On souhaite déterminer la concentration en ions hydrogénocarbonate (HCO - 3 ) d une eau minérale inconnue. Pour cela, on dose ces ions par comparaison avec une eau connue. Le dosage est basé sur la réaction des ions hydrogénocarbonate de l eau minérale avec une solution d acide chlorhydrique. Dans un erlenmeyer, on ajoute 10 ml d acide chlorhydrique prélevé à l aide d une pipette, et on y verse l eau minérale peu à peu à l aide d une burette. Pour repérer la fin de la réaction, on utilise un indicateur coloré, le vert de bromocrésol qui vire du jaune au vert quand la réaction est terminée. A cet instant, on relève le volume d eau minérale versé. On dose 10 ml d acide chlorhydrique par une eau connue, dont la concentration en ions hydrogénocarbonate vaut 402 mg.l -1. A la fin de la réaction, on a versé un volume V 1 = 14,9 ml d eau connue. On dose ensuite 10 ml d acide chlorhydrique par l eau inconnue, à la fin de la réaction, on versé un volume V 2 = 2,0 ml d eau inconnue. D après la théorie du dosage la masse d ions hydrogénocarbonate est la même dans les deux volumes d eau versés V 1 et V Sachant que la concentration des ions hydrogénocarbonate est de 402 mg.l -1 dans l eau connue, calculer la masse de ces ions dans le volume versé V D après la théorie du dosage, quelle est la masse en ions hydrogénocarbonate dans le volume versé V 2 d eau inconnue? 3. En déduire la masse de ces ions dans un litre de cette eau. 4. Sur l étiquette de cette eau inconnue, on peut lire << Bicarbonates : 2989 mg.l -1 >>. Pourquoi le nom << hydrogénocarbonates >> ne figure pas sur l étiquette? Comparer la valeur obtenue à la question.4 à celle lue sur l étiquette. Conclure. 1L : Les eaux naturelles 7/7

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