Circulation thermohaline et variation de la salinité

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Richard Grenier
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1 Circulation thermohaline et variation de la alinité Mie en évidence de variation de la concentration de la olution lor du changement d état de l eau de mer à l aide d une meure phyique : celle de la conductimétrie. On cherche à montrer que l eau de mer lorqu elle gèle libère on el dan le milieu ambiant et donc que l eau réiduelle voit a concentration augmenter. On appuiera ur le propriété de olution ionique concernant leur aptitude à être conductrice. Notion eentielle de conductimétrie (Avec l aimable autoriation de Thierry Dulauran. Lycée Pape Clément. Document académique nouveaux programme 1S) I/ Quelque définition 1/ Conductimétrie La conductimétrie et l étude quantitative de la conductivité de électrolyte, c et-à-dire de olution conductrice du courant électrique. 2/ Réitance R et conductance G d une olution Deux électrode plane et parallèle, de urface, plongent face à face à une ditance l l une de l autre dan un électrolyte. On applique une tenion alternative inuoïdale de valeur efficace U (en V) entre ce électrode et on note I l intenité efficace (en A) du courant qui travere la olution. La réitance R, en ohm (Ω), U U de la portion de olution entre le électrode et : R =. I I électrolyte l La conductance G, en iemen (S = Ω -1 ), de la portion de olution entre le électrode et : 1 I G = =. R U 3/ Contante de cellule La réitance R (en Ω) de la portion de olution entre le électrode et proportionnelle à la réitivité ρ (en Ω m) de cette olution, elle augmente avec la ditance l (en m) entre le électrode et diminue quand la urface (en m 2 ) de ce électrode augmente. On a : l R = ρ = ρ K, avec ρ en Ω m ; K en m -1 et R en Ω. Le rapport K = l et appelé la contante de cellule (en m -1 ). Ce rapport dépend de la géométrie de cette cellule. 4/ Conductivité σ d une olution ionique La conductivité σ et l invere de la réitivité : σ = 1. Elle exprime en Ω ρ -1 m-1 = S m -1. S et le Siemen 1 1 σ σ On a donc G = = = = oit σ = G K. R l l K ρ La conductivité σ d une olution dépend de a compoition, de a concentration et de la température. Centre de formation du lycée de Grave. B. Pouden et S.Maon 02/08/2004 Page 1

On appuiera ur le propriété de olution ionique concernant leur aptitude à être conductrice. Notion eentielle de conductimétrie (Avec l aimable autoriation de Thierry Dulauran. Lycée Pape Clément.

2 La conductance G de cette olution dépend en plu de la géométrie de le la cellule ( et l ). Si on prend la même cellule pour l enemble de meure, on n aura pa de variation et eul le paramètre précédent interviendront. La conductivité d'une olution et la omme de conductivité de tou le ion qu'elle contient : σ = σ i = λ i C i 5/ Conductivité molaire ionique A température donnée, pour un ion donné, la conductivité de cet ion dépend de la concentration de cet ion en olution. D'où la relation : σ i = λ i C i C i et la concentration de cet ion qui 'exprime en mol.m -3 λ i et la conductivité molaire ionique de cet ion qui 'exprime en S.m².mol -1 λ i la conductivité molaire ionique traduit l'aptitude d'une mole d'un ion à conduire le courant électrique. En toute rigueur λ i dépend de la concentration C i de l ion. Lorque la concentration tend ver 0, c'et à dire à dilution infinie, λ i tend ver une valeur limite λ i 0 ( conductivité molaire ionique limite de l'ion ). Nou admettron que pour de concentration comprie entre 10-1 et 10-4 mol.l -1 (oit 10² et 10-1 mol.m -3 ) on peut confondre λ i et λ i 0. Conductivité molaire ionique de quelque ion: CATIONS Ion Na + K + + NH 4 Ag + Mg 2+ Ca 2+ H 3 O + λ I (S.m².mol -1 ) ANIONS Ion Cl - - NO 3 CH 3 COO - - HCO 3 2- CO 3 2- SO 4 HO - λ I (S.m².mol -1 ) Quelle eau pour quel modèle? Meure de la conductivité de l eau de mer Modélier la olidification de l eau de mer néceite de approcher le plu poible de la réalité, c'et-à-dire en utiliant de l eau de mer naturelle ou de l eau de mer artificielle (achat en magain d aquariophilie). Néanmoin, le eai réalié montrent que le comportement d une olution de NaCl et imilaire à celui de l eau de mer (cf valeur ci- deou). Par conéquent et pour de raion évidente de commodité et de coût, on peut faire cette approximation. 1/ Compoition de l eau de mer On définit la alinité de l'eau de mer par a teneur en el diou, exprimée en, c'et-à-dire en gramme par kilogramme d'eau de mer. Si la alinité de eaux océanique varie avec le région, leur compoition en revanche rete eniblement contante, i l'on ne tient pa compte de eaux côtière; oit, pour 1 kg d'eau de mer à 35, 27,3 g de chlorure de odium, 3,4 g de chlorure de magnéium, 2 g de ulfate de magnéium, 1,3 g de chlorure de calcium, 0,6 g de chlorure de potaium, 0,1 g de carbonate de calcium. Centre de formation du lycée de Grave. B. Pouden et S.Maon 02/08/2004 Page 2

La conductivité d'une olution et la omme de conductivité de tou le ion qu'elle contient : σ = σ i = λ i C i 5/ Conductivité molaire ionique A température donnée, pour un ion donné, la conductivité de

3 La majeure partie de ce el e trouve à l'état ionié, et l'excè de cation donne à l'eau de mer un caractère alcalin (ph compri entre 7,5 et 8,4) dont le variation, inverement proportionnelle à leur teneur en gaz carbonique, jouent un rôle prépondérant en biologie marine. La alinité de eaux océanique uperficielle varie avec la latitude en fonction de l'évaporation et de précipitation: 34,5 dan le région équatoriale, de 36 à 37 ver 20 de latitude, 34 dan le région polaire. 2/ Meure de l évolution de la conductivité de la olution au cour du temp. Précaution à prendre lor de meure : Etalonner le conductimètre La valeur affichée dépend de la température (cf propriété de onde). Il faut donc étalonner et faire le meure toujour à la même température (ici 17 C) Obligation de diluer 10 foi le prélèvement afin de ne pa aturer la onde. Bien rincer la onde à l eau ditillée entre deux meure et écher la onde pour éviter un apport d eau. Sonde Conductimètre Solution d étalonnage Conductivité de la olution étalon Protocole : eau réiduelle placer au congélateur glace eau de mer ou équivalent Congélation On place dan un Becher de l eau enrichie en el que l on met enuite au congélateur. La concentration de l eau doit être celle préconiée par le fabriquant d eau de mer artificielle. Dan le meure ci-deou, on était à 33,4 0 / 00 pour la olution initiale et le prélèvement ont été dilué au 1/10 avant de plonger la onde dan le liquide. Il faut dipoer d autant de Becher que de meure à réalier, dan la meure ou chaque prélèvement ne peut être remi dan le Becher aprè dilution (ici 5 meure et donc 5 Bécher par type de olution) Centre de formation du lycée de Grave. B. Pouden et S.Maon 02/08/2004 Page 3

La alinité de eaux océanique uperficielle varie avec la latitude en fonction de l'évaporation et de précipitation: 34,5 dan le région équatoriale, de 36 à 37 ver 20 de latitude, 34 dan le région

4 Décongélation On place le bécher au congélateur et aprè olidification de l eau on le laie décongeler à température ambiante. On peut également utilier de glaçon d eau de mer ou de olution de NaCl. Glaçon Eau réiduelle Meure et réultat obtenu Quelque oit l origine du liquide réiduel (congélation partielle ou décongélation), pener à diluer le liquide réiduel avant de faire la meure. prélever le liquide réiduel glace Faire la meure de la conductivité de la olution obtenue. diluer au 1/10 onde 5, 21 upport onde conductimètre Centre de formation du lycée de Grave. B. Pouden et S.Maon 02/08/2004 Page 4

Glaçon Eau réiduelle Meure et réultat obtenu Quelque oit l origine du liquide réiduel (congélation partielle ou décongélation), pener à diluer le

5 Eau ditillée Exemple de valeur obtenue Toute le valeur correpondent à de olution diluée au 1/10 aprè prélèvement et ont en ms.cm -1 temp congélation (à -18 C) décongélation (à 17 C) eau de mer artificielle olution NaCl eau de mer artificielle olution NaCl t 0 6,25 6,91 néant néant t 40 min 6,57 7,75 10,29 9,32 t 50 min 8,16 8,71 9,24 8,38 t 60 min 8,3 9,21 8,08 7,92 t 80 min 9,42 9,32 6,3 6,19 Conductivité (ms.cm -1 ) décongélation congélation // t 0 t 40 mn t 50 mn t 60 mn t 80 mn mer nacl mer nacl En concluion, on peut mettre en évidence une concentration du liquide réiduel en el au cour de la congélation. Le modèle valide donc le obervation réaliée et permet à l élève de approprier le concept. Par implification manipulatoire, on peut même retrouver l évolution de la concentration en pratiquant la démarche invere(décongélation) tout en étant concient de l introduction d une difficulté upplémentaire : la mie en place d un modèle fonctionnant à l enver par rapport à la réalité de la formation de la glace de mer. On peut également meurer la denité de la olution (cf protocole propoé par un collègue) Centre de formation du lycée de Grave. B. Pouden et S.Maon 02/08/2004 Page 5

8,71 9,24 8,38 t 60 min 8,3 9,21 8,08 7,92 t 80 min 9,42 9,32 6,3 6,19 Conductivité (ms.

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