1L : Alimentation et environnement Activité.2 : Des eaux naturelles à l eau potable I. L eau dans tous ses états : Qu est-ce qu une molécule d eau? C est la plus petite quantité d eau "possible". Dans un gramme d eau, il y a 33 000 milliards de milliards de molécules qui ont chacune toutes les propriétés physiques et chimiques de l eau. La forme d une molécule d eau ressemble à une tête de Mickey. Les deux "oreilles" sont des atomes d hydrogène, la "tête" est un atome d oxygène. Ces trois parties sont reliées entre elles par des forces électriques importantes. La formule chimique de la molécule d eau est H 2 O. Dans la nature, sous l action du soleil, de la pression atmosphérique et de la température, l eau change d état. On peut la trouver sous trois formes : A l état liquide, comme quand elle coule du robinet. C est la forme d eau la plus répandue sur Terre, surnommée pour cette raison "la planète bleue". La part d eau douce représente 2,8 % de l eau totale du globe. Les eaux douces sont constituées principalement par les glaces polaires, mais aussi par les eaux souterraines et, pour une toute petite part, par les eaux des lacs, fleuves et rivières. Sans oublier une très petite quantité d eau contenue dans l atmosphère. Le reste (97,2 %), c est-à-dire l eau salée, est contenu dans les mers et les océans. A l état solide en dessous de 0 C, quand elle se transforme en glace, comme dans le congélateur. Dans la nature, une grande partie des 2,8 % d eau douce est stockée sous forme de glaciers ou sous forme de neige. Cela représente en tout un peu plus de 2 % de l eau sur terre. Les calottes glaciaires des pôles Nord et Sud sont ainsi les plus grands réservoirs d eau douce de notre planète. La masse des glaciers est très importante : s ils devaient fondre, le niveau des mers remonterait de près de deux cents mètres. A l état gazeux, comme quand elle chauffe dans une casserole jusqu à 100 C et qu elle se met à bouillir en se transformant en vapeur d eau. La plupart du temps, même à température ambiante, l eau cherche à s évaporer : elle passe lentement d un état liquide à un état de vapeur. L eau évaporée, en à peu près huit jours dans l atmosphère, forme des nuages qui vont retomber en pluie sur les continents et les océans. C est la vapeur d eau qui est à l origine des 440 km 3 de précipitations (pluie, neige ou grêle) qui alimentent chaque année les réserves d eau douce de la France. L'évaporation de l'eau, ou, à l'inverse, sa condensation sous forme de précipitations, dépendent de la température de l'air et de la pression atmosphérique. A certains moments, à certains endroits, elle s'évapore. A d'autres moments, à d'autres endroits, elle retombe en précipitations. Activité.1 : a) Compléter le schéma ci-dessous en indiquant les noms des différents changements d état. 1 Eau solide 2 Eau liquide 5 3 4 Vapeur d eau (gaz) 6 b) Indique les températures des différents changements d états de l eau. c) Quelle est la formule chimique de l eau? que signifie cette formule? d) Compléter ci-contre, en coloriant le modèle moléculaire de la molécule d eau. e) Quelle est la part d eau douce présente sur la Terre? Et celle d eau salée? 1L : Alimentation et environnement 1/6
II. Le cycle de l eau 1. Activité.1 : Les données du tableau ci-dessous présentent les volumes annuels, correspondant aux phénomènes d évaporation et de précipitation de l eau au niveau de notre planète. Evaporation sur les océans Evaporation sur les continents Précipitations sur les océans Précipitations sur les continents 425 000 km 3 par an 71 000 km 3 par an 385 000 km 3 par an 111 000 km 3 par an a) Calculer la différence entre les volumes d évaporation et les volumes de précipitation pour les océans. b) Effectuer le même calcul pour les continents, et conclure. c) Calculer le volume total d eau correspondant aux évaporations sur la Terre. d) Calculer le volume total d eau correspondant aux précipitations sur la Terre. e) Comparer ces deux volumes, et conclure. f) Quel volume d eau les continents renvoient-ils aux océans chaque année? 2. Synthèse : complète les phrases suivantes Le volume d eau reste sur terre. Les quantités d eau dues aux sont aux quantités d eau dues aux. 3. Cycle de l eau : voir vidéoprojection La vapeur d eau provient de l évaporation de l eau à la surface des océans et des continents ainsi que de la transpiration des végétaux. L évapotranspiration est la somme de ces deux sources de vapeur d eau. Celle-ci se refroidit dans l atmosphère, se condense autour d une impureté, et retombe sous forme de pluie, de grêle ou de neige. Au sommet d un glacier elle peut rester sous forme solide pendant 8 000 ans. Quand elle s infiltre dans le sol elle peut alimenter une nappe souterraine plus ou moins profonde. Peu profondes, ces nappes peuvent aboutir dans des rivières pour assurer le débit quand il ne pleut pas. Par contre certaines nappes sont très profondes. Sous le Sahara se trouve une nappe si profonde que l eau ne se renouvelle que tous les 70 000 ans. Activité.2 : D après l animation vidéoprojetée : Annoter le schéma du cycle de l eau ci-dessous, en associant à chaque numéro l une des propositions suivantes : Condensation, fusion, évaporation, précipitation, nappe souterraine, solidification, infiltration, ruissellement. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 1L : Alimentation et environnement 2/6
III. Les différentes consommations d eau : La consommation de l eau s accroît dans le monde. Les sources principales actuelles d utilisation dans le monde et le taux de la part consommée sont donnés dans le tableau ci-dessous. Agriculture Industries Collectivités Prélèvements en km 3 2500 800 400 Part consommée 70 % 11% 14% En France c est l industrie la plus grosse consommatrice d eau avec un taux de 69 % devant l agriculture (16 %) et les foyers domestiques (15 %). Activité.3 : travail de recherche a) Chercher en m 3 sur la facture d eau, la consommation d eau annuelle de votre famille. b) Quelle est environ (en litre) la quantité d eau utilisée pour prendre un bain? Une douche? Effectuer une lessive au lave-linge? Effectuer une vaisselle avec un lave-vaisselle? à chaque utilisation de la chasse d eau des WC? c) Quel est en m 3 le seuil de pénurie de l eau? d) D ici 20 à 30 ans combien d habitants risquent-ils de manquer d eau douce? e) Citer des pays riches en eau, pauvres en eau. f) Combien de fois un américain consomme-t-il plus d eau qu un africain? IV. Critères de potabilité d une eau : voir lien sur le site Pour être potable, une eau doit remplir de nombreux critères : Critères physico-chimiques (température, dureté, concentration en sels minéraux, substances toxiques) Critères organoleptiques (turbidité, odeur, goût) Critères microbiologiques (absence de germes pathogènes) Critères physico-chimiques : Les eaux de source destinées à la consommation humaine sont régies par des normes sur les paramètres physico-chimiques dont les valeurs limites en mg/l sont indiquées dans le tableau suivant. ph Ions chlorure Ions sulfate Ions magnésium Ions sodium Ions potassium Ions aluminium Résidu à Cl - 2- SO 4 Mg 2+ Na + K + Al 3+ sec à 180 C 6,5 à 9 200 250 50 150 12 0,2 1 500 De même que d autres ions indésirables à des concentrations importantes Ions Nitrate - NO 3 Nitrite - NO 2 Ammonium + NH 4 Fluorure F - Cyanure CN - Teneur maximale 50 mg.l -1 0,1 mg.l -1 0,5 mg.l -1 1,5 mg.l -1 50 μg.l -1 La température de l eau ne doit pas être inférieure à 25 C. La dureté de l eau doit être comprise entre 7 et 30 degrés hydrotimétriques. L eau doit être limpide. Activité.4 : Vérifier si les différentes eaux étudiées au chapitre précédent respectent les critères de potabilité. V. Traitement d une eau naturelle : L eau doit suivre différents traitements (voir schéma ci-dessous) pour que les normes précédentes sur la qualité des eaux destinées à la consommation humaine soient respectées. Dégrillage + tamisage Floculation Décantation Stérilisation Filtration 1L : Alimentation et environnement 3/6
Etape.1 : Le tri grossier : dégrillage et tamisage Etape.2 : La floculation : opération qui consiste à ajouter un réactif qui fait agglomérer en flocons plus lourds les microparticules en suspension dans l eau. Etape.3 : La décantation : opération qui a pour but de séparer les éléments solides plus lourds qui se déposent. Etape.4 : La filtration : elle peut avoir lieu sur couche de sable ou sur charbon actif, pour éliminer les dernières particules en suspension. Etape.5 : La stérilisation (ou désinfection) : en fin de traitement, la désinfection permet l élimination des micro-organismes pathogènes (bactéries et virus). On utilise pour cela soit un désinfectant chimique comme le chlore ou l ozone, soit des rayonnements ultraviolets. Activité.5 : Réalisation expérimentale de quelques techniques de traitement. 1. Décantation : Dans un erlenmeyer, placer un peu de chaux éteinte (oxyde de calcium). Ajouter de l eau distillée et agiter. Laisser reposer le mélange quelques minutes.? Complète et légende le dernier erlenmeyer. Comment s appelle cette technique? 2. Filtration : voir schéma ci-dessous Verser doucement, et en plusieurs fois, la phase liquide du contenu de l erlenmeyer sur l agitateur en verre. Compléter, en légendant, le contenu du bécher à la fin de cette opération. Comment s appelle ce contenu? Est-il plus clair que la solution de départ? Comment s appelle cette technique. Agitateur en verre Support Entonnoir + papier filtre Pince Bécher 1L : Alimentation et environnement 4/6
3. Floculation : Reprendre le bécher contenant le filtrat de l expérience précédente. Y ajouter une solution de sulfate d aluminium, agite et laisse décanter. Solution de sulfate d aluminium Complète, en légendant le dernier bécher, le résultat de cette opération. Que peut-on dire de la clarté de la solution obtenue? Comment s appelle cette technique? 4. Distillation de l eau de mer : Dans certains pays privés de ressources en eau douce une partie de la production de cette eau douce est obtenue par distillation de l eau de mer. Le principe de cette distillation peut être effectué au laboratoire. Une eau salée renferme des ions sodium Na + et chlorure Cl -. Pour mettre en évidence la présence des ions chlorure ajouter quelques gouttes d une solution de nitrate d argent à une solution d eau salée. Solution de nitrate d argent Complète le dernier tube à essai en notant tes observations. Réalisons maintenant une distillation de l eau salée : expérience au bureau Réfrigérant Ballon à fond rond Eau salée Sortie d eau tiède Entrée d eau froide Chauffe-ballon Distillat Support élévateur Ajouter quelques gouttes de solution de nitrate d argent dans le distillat. Observation : Conclusion : 1L : Alimentation et environnement 5/6
1L : Alimentation et environnement Exercices d application Exercice.1 : L eau douce est une denrée tellement ordinaire que l on finit par oublier que plus d un milliard de personnes ne disposent pas d une eau propre à la consommation. Les océans, qui représentent 97% de l eau de la planète, peuvent constituer une réserve d eau potable inépuisable. Pour cela, il faut dessaler l eau de mer. Le procédé le plus répandu et le plus ancien est la distillation multiflash : l eau de mer est chauffée, puis pompée dans des réservoirs où elle se vaporise brutalement (flash). Après plusieurs flashs successifs, la vapeur condensée est récupérée et donne de l eau pure. 1. Quels sont les changements d état qui interviennent dans la distillation de l eau de mer? 2. Précise les états physiques de l eau avant et après chaque changement d état. 3. Sous pression atmosphérique, comment peut-on condenser de la vapeur d eau? Quel est l appareil qui permet de réaliser cette opération au laboratoire? 4. Pourquoi l eau recueillie à la fin de la distillation est-elle pure? 5. Pourrait-on dessaler l eau de mer par filtration ou décantation? Exercice.2 : Les nitrates qui polluent aujourd hui les nappes d eau souterraines résultent de nombreuses années de fertilisation aux engrais. Parmi les réservoirs d eau souterraine, beaucoup présentent des qualités chimiques et bactériologiques satisfaisantes pour des usages domestiques. Seuls la concentration en nitrate dépasse la norme de potabilité de 50 mg.l -1 Revue PLS Juillet 1998 1. Par quel phénomène les engrais, utilisés en surface, parviennent-ils dans les nappes souterraines? 2. Le ph d une eau fait partie des critères de potabilité physico-chimiques. Une eau dont le ph est de 7,3 est-elle neutre, légèrement acide ou légèrement basique? 3. Citer deux autres critères de potabilité d une eau. 4. Pour être potable, une eau ne doit-elle contenir aucun nitrate? Exercice.3 : Compléter le texte à trous en choisissant les mots parmi la liste suivante, certains mots peuvent être utilisés plusieurs fois. Solidification, condensation, précipitation, fusion, pollution, ruissellement, infiltration, ébullition, refroidissement, nuages, évaporation. L eau présente dans les mers, les cours d eaux, le sol, les végétaux se transforme en vapeur d eau, c est l. La vapeur d eau se mélange à l air et se répand dans l atmosphère. En traversant des zones froides, elle subit une. C est ainsi que se forment de minuscules gouttelettes ou des cristaux qui forment les. L eau peut alors retomber sur la Terre sous forme de : pluie, neige, grêle. La neige, la grêle comme la glace, peuvent subir une et s ajouter à l eau de pluie. Une partie de l eau qui arrive à l état liquide sur le sol subit une plus ou moins rapide selon les régions. Une autre partie reste sur Terre et alimente les eaux souterraines par ou les cours d eau, les lacs et les mers par. Exercice.4 : A des doses faibles, les fluorures jouent un rôle protecteur dans la prévention de la carie dentaire (teneurs de 0,5 à 1,5 mg/l de fluor dans les eaux). Par contre, pour des teneurs supérieures à 2 mg/l, des altérations dentaires se produisent sur les dents en voie de formation et se traduisent par l apparition de taches colorées en jaune, brun ou noir sur l émail qui devient moins résistant et s use par suite rapidement. Pour ces raisons, les enfants sont particulièrement réceptifs. Il semble que les effets sur la dentition ne soient plus à craindre après l apparition des dents définitives. En dehors des problèmes dentaires, le fluor peut avoir une action toxique sur l homme, mais à des doses élevées qui ne sont jamais rencontrées dans les eaux naturelles. La réglementation française (Décret du 3 janvier 1989) fixe à 1,5 mg/l la concentration maximale admissible dans les eaux destinées à la consommation humaine. Suite à l avis d un groupe d experts, le Ministre de la Santé a décidé d autoriser la vente de sel de table fluoré à partir du 1 er Octobre 1986 dans un but de prophylaxie générale. Cette solution a fait les preuves de son efficacité en SUISSE où elle a permis une baisse des caries dentaires de l ordre de 60 %. Elle présente par ailleurs l avantage de préserver la liberté de choix des individus, d être peu coûteuse, et de ne pas reposer sur des contraintes individuelles quotidiennes comme c est le cas avec la prise de comprimés. L autorisation de mise sur le marché de sel fluoré à 250 mg/kg s accompagne toutefois de la réserve suivante obligatoirement portée sur les emballages : «Ne pas consommer si l eau de boisson contient plus de 0,5 mg/l de fluor», ceci afin d éviter les inconvénients occasionnés par un apport excessif. Qualité des Eaux distribuées dans le Finistère - 1995 a) Donner la formule chimique de l ion fluorure b) Indiquer sur quelle étiquette d eau minérale (voir étiquettes) on note la présence des ions fluorure. Donner leur concentration. c) Quelles sont les normes sur la concentration des ions fluorure dans l eau? d) Quels sont les avantages et les effets indésirables de la présence des ions fluorure dans l eau? 1L : Alimentation et environnement 6/6