Tle Ch3/4-La Qualité de L'eau et de L'air

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Partie 3 : la sécurité chimique dans l’environnement.


Activités :

            Comment la qualité de l’eau est-elle contrôlée?

            Comment la qualité de l’air est-elle caractérisée?

            Comment les polluants de l’air et l’eau sont-ils gérés?


Notions et contenus 
Connaissances et capacités exigibles 
Activités expérimentales support de la formation

 Comment la qualité de l’eau est-elle contrôlée ?

Solubilité de substances ioniques dans l’eau.
Conductivité d’une eau et d’une solution aqueuse ionique.
Concentration ionique en masse.
Concentration ionique en quantité de matière. 
Composition d’une eau. 
Équivalence d’un dosage par titrage.  
Expliquer la solubilité des composés ioniques dans l’eau. Interpréter qualitativement la conductivité de l’eau pure, d’une eau en milieu naturel, d’une solution aqueuse ionique, en lien avec sa composition ionique.
Distinguer l’usage d’une eau distillée de celui d’une eau déminéralisée (désionisée).
Mettre en œuvre des mesures de conductivité montrant l’influence des espèces ioniques en solution et de leur concentration en quantité de matière.
Mettre en œuvre un dosage conductimétrique d’une espèce ionique (sulfate, nitrate, ion métallique, etc.) présente dans une eau. Interpréter qualitativement l’allure d’une courbe de dosage conductimétrique. Repérer et exploiter l’équivalence.

Extraire et exploiter des informations concernant les critères physico-chimiques de la potabilité d’une eau.
Extraire et exploiter des informations relatives aux effets des activités humaines sur la qualité chimique de l’eau dans les milieux aquatiques et marins, en s’appuyant sur quelques paramètres (salinité, pH, température, gaz dissous, hydrocarbures, matières plastiques, etc.)

Comment la qualité de l’air est-elle caractérisée ?

Fraction molaire et pourcentage molaire.
Composition de l’air.


Déficit en dioxygène.
Loi du gaz parfait.
Fixation du monoxyde de carbone sur l’hémoglobine.


L’ozone, protecteur et dangereux à la fois.


Gaz à effet de serre.
Exprimer la composition de l’air par les fractions molaires ou les pourcentages molaires et interpréter ces données.
Proposer des tests chimiques mettant en évidence la présence des gaz CO2, H2O, O2 .
Mettre en œuvre un protocole montrant la proportion de dioxygène dans l’air.
Utiliser la loi du gaz parfait dans le cas de l’utilisation d’une bouteille de gaz de dioxygène. 
Analyser des informations relatives aux risques d’inhalation de monoxyde de carbone.
Décrire le principe d’action du monoxyde de carbone sur l’hémoglobine.
Connaître la formule brute de la molécule d’ozone.
Distinguer le rôle protecteur de l’ozone de son caractère nocif en fonction du contexte.
Définir un gaz à effet de serre (GES).  S’informer sur l’origine de quelques GES et sur leurs incidences respectives sur le climat.

 Comment les polluants de l’air et de l’eau sont-ils gérés ? 

Les macropolluants et micropolluants organiques et inorganiques d’une eau.
Les polluants primaires et secondaires de l’air.




Dépollution par adsorption sur charbon actif et oxydation par l’ozone. 
Différencier un macropolluant d’un micropolluant. 
Différencier un polluant primaire d’un polluant secondaire.
Déterminer, à partir d’une analyse documentaire, les origines domestique, industrielle, agricole ou médicale de quelques polluants parmi les solvants, pesticides, phytosanitaires et cosmétiques, nano-objets dont métaux lourds, microplastiques, déjections animales, composés gazeux dont gaz à effet de serre (GES), fumées, hormones, médicaments, etc.
Mettre en œuvre une expérience d’adsorption sur charbon actif.
Analyser l’efficacité d'un procédé de dépollution. 

  Partie I - Comment la qualité de l’eau est-elle contrôlée ?

I. Les eaux

• L’eau pure est essentiellement constituée de molécule d’eau (H2O). Cependant, elle réagit avec elle même pour donner des ions hydroxyde (HO- ) et ions oxonium (H3O+ ) ; c’est la réaction d’autoprotolyse de l’eau et la quantité d’ions formés dépend de la température:

        2H2O(l) → H3 O+ (aq) + HO- (aq)

        [H3O+ (aq)] × [HO- (aq)] = 10-14 à 25°C

    (Cette réaction d’autoprotolyse dépend de la température)

• Les eaux minérales sont des eaux qui contiennent des sels minéraux.

On distingue:

        — Les cations : Mg2+ ; Ca2+, Na+

        — Les anions : SO4 2- ; Cl- , F-

• L’eau déminéralisée est obtenue :

        — par distillation : on parle d’eau distillée.

Elle ne contient plus les minéraux et les micro-organismes, mais le CO2 de l’air se dissout pour former des ions carbonates.

Ici, l’eau est d’abord évaporée par chauffage puis condensée grâce à un réfrigérant.

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— Par une résine échangeuse d’ions : on parle d’eau déminéralisée ou permutée.

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L’eau passe dans une résine, certains ions seront échangés par des ions moins gênants.

Par exemple, une eau dite dure dépose du tartre ou calcaire.

Pour éviter cet inconvénient, une résine échangeuse d’ions adoucit l’eau en échangeant les ions Mg2+ et Ca2+, responsables de l’entartrage, par des ions Na+ .

 

II. Les solutions

Une solution est obtenue par dissolution d’un soluté (ionique ou moléculaire) dans un solvant. Le soluté peut être un solide, un liquide ou un gaz. On peut écrire : Soluté + Solvant → Solution

Par exemple, on ajoute du sel de cuisine à de l’eau.

• Le soluté : sel de cuisine

• Le solvant : l’eau

Lorsque le solvant est l’eau, on parle de solution aqueuse. Une solution électrolytique est une solution contenant des ions : elle est électriquement neutre (contient autant de charges négatives que de charges positives) mais conduit le courant électrique

L’électronégativité

Quand deux atomes identiques non métalliques établissent une liaison chimique, les électrons sont échangés de manière équitable entre les deux atomes. C’est une liaison covalente. Par exemple, cela concerne les liaisons C–C dans le graphite, ou H–H pour le dihydrogène.

Quand les atomes sont différents, le partage peut être moins équitable. On définit l’électronégativité comme « l’avidité » d’un atome en électrons intervenant dans une liaison chimique.

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Dans ce cas, l’atome B attire les électrons vers lui.

Cela crée une charge partielle négative sur l’atome B et une charge positive sur A. La liaison est maintenant polarisée. C’est le cas des liaisons O-H

Si deux atomes d’électronégativités voisines établissent une liaison chimique, les électrons resteront bien répartis entre les deux atomes c’est une liaison covalente apolaire. C’est le cas des liaisons C-H ou des molécules diatomiques homonucléaires (H2 ; O2).

Cas de l’eau :

De par sa géométrie en V, la molécule d’eau possède un moment dipolaire non nul dû à la présence de liaisons polarisées O-H et à sa géométrie: c’est une molécule polaire.

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L’eau est un solvant polaire.

Cette propriété permet la dissolution d’espèces polaires ou ioniques.
 

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Les différentes étapes de la dissolution du sel dans les solvants polaires :

Le résultat de la dissolution d’un sel s’écrit :

            AmCn(s) → m An+ (aq) + n Cm- (aq)

        Exemple : K2CO3 (s) → 2 K+ (aq) + CO3 2- (aq)

La concentration molaire se calcule par la relation: C = n / V ou [X]  = n / V

C : Concentration molaire en mol.L-1

[X] : Concentration molaire de l’espèce X en mol.L-1

V : volume en L

n : Quantité de matière en mol


III. La conductivité d’une solution aqueuse

On réalise différentes expériences :

– Pour qu’une solution conduise le courant électrique, il faut qu’elle contienne des ions : en l’absence d’ion, elle est isolante.

– Dans une solution électrolytique, les anions et les cations dissous constituent des porteurs de charges mobiles et permettent ainsi à la solution de conduire le courant électrique.

La conductivité est une grandeur physique qui caractérise l’aptitude d’une substance à conduire le courant. L’appareil permettant de mesurer la conductivité ou la conductance d’une solution s’appelle un conductimètre.

La valeur de la conductance G d’une solution ionique dépend de la nature de la solution, ainsi que de la géométrie de la cellule de mesure mais aussi du type d’anions et de cations contenus dans la solution. Elle peut être déterminée par la relation :

G = σ×S/L

σ : conductivité ( S.m-2. L)                         S : Surface (m2 )

L : longueur (m)                                           G : Conductance (Siemens (s))

On réalise différentes solutions de chlorure de sodium (Na+ + Cl- ) de concentration connue. Ensuite, pour chaque solution on mesure la conductance G, exprimée en milli Siemens (mS), et on reporte les résultats dans un graphique.

Résumé de cours (partie I)

Les eaux

• L’eau pure est essentiellement constituée de molécule d’eau (H2O) mais elle réagit avec elle-même pour donner des ions hydroxydes (HO- ) et ions oxoniums (H3O+ ) :

    2 H2O →H3O+ + HO-

• Les eaux minérales sont des eaux qui contiennent des sels minéraux (Mg2+ ; Ca2+ …)

• L’eau déminéralisée est obtenue:

– par distillation: on parle d’eau distillée Elle ne contient plus les minéraux et les micro-organismes, mais le CO2 de l’air se dissout pour former des ions carbonates.

– à l’aide de résine échangeuse d’ions : on parle d’eau déminéralisée

Les solutions

Une solution est obtenue par dissolution d’un soluté (ionique ou moléculaire) dans un solvant. Le soluté peut être un solide, un liquide ou un gaz.

On peut écrire :

        Soluté + Solvant → Solution

Lorsque le solvant est l’eau, on parle de solution aqueuse.

Une solution électrolytique est une solution contenant des ions : elle est électriquement neutre (contient autant de charges négatives que de charges positives) mais conduit le courant électrique.

L’électronégativité et les solvants polaires

Quand deux atomes identiques non métalliques établissent une liaison chimique, les électrons sont échangés de manière équitable entre les deux atomes. C’est une liaison covalente. Par exemple, cela concerne les liaisons C–C dans le graphite, ou H–H pour le dihydrogène.

Quand les atomes sont différents, le partage peut être moins équitable. On définit l’électronégativité comme « l’avidité » d’un atome en électrons intervenants dans une liaison chimique.

Dans ce cas, l’atome B attire les électrons vers lui.

Cela crée une charge partielle négative sur l’atome B et une charge positive sur A. La liaison est maintenant polarisée. C’est le cas des liaisons O-H

Si deux atomes d’électronégativités voisines établissent une liaison chimique, les électrons resteront bien répartis entre les deux atomes c’est une liaison covalente apolaire. C’est le cas des liaisons C-H Les différentes étapes de la dissolution du sel dans les solvants polaires :


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Le résultat de la dissolution d’un sel peut s’écrire :

AB(s) → A+ (aq) + B- (aq)

La concentration molaire se calcule par la relation: C = n / V ou [X]  = n / V

C : Concentration molaire en mol.L-1

[X] : Concentration molaire de l’espèce X en mol.L-1

V : volume en L

n : Quantité de matière en mol

La conductimétrie

Pour qu’une solution conduise le courant électrique, il faut qu’elle contienne des ions : en l’absence d’ion, elle est isolante

Dans une solution électrolytique, les anions et les cations dissous constituent des porteurs de charge mobiles et permettent ainsi à la solution de conduire le courant électrique.

La conductivité est une grandeur physique qui caractérise l’aptitude d’une substance à conduire le courant. L’appareil permettant de mesurer la conductivité ou la conductance d’une solution s’appelle un conductimètre.

Un titrage conductimétrique consiste à suivre l’évolution de la conductance G ou de la conductivité σ de la solution titrée au cours de l’ajout de la solution titrante.

Odoo image et bloc de texte

– Toutes les espèces chimiques ioniques participent à la conductivité de la solution, y compris les ions spectateurs qui n’apparaissent pas dans l’équation de la réaction support du titrage.

Pour déterminer l’équivalence d’un dosage conductimétrique, on trace, à partir du nuage de points (courbe) obtenu grâce aux mesures expérimentales, les deux (la plupart du temps) meilleures approximations linéaires (par modélisation) de chaque partie du nuage de points.

L’intersection donne sur l’axe des abscisses le volume à l’équivalence.

Partie II - Comment la qualité de l’air est-elle caractérisée ?

Objectifs : Qui surveille ?

Le travail de contrôle de la qualité de l’air est réalisé par des associations avec le ministère de l’Environnement. Leur rôle est de : mesurer la pollution et calculer les risques pour la santé, l’environnement, les bâtiments ; informer les citoyens, les médias, les politiques. Le suivi sanitaire de l’eau comprend à la fois : la surveillance exercée par la personne responsable de la production et distribution de l’eau et le contrôle sanitaire mis en œuvre par l’ARS (agences régionales de santé).

La qualité de l’air

L’air est un mélange de nombreux gaz, mais ses deux principaux constituants sont:

• le dioxygène (O2): 21%

• le diazote (N2): 78%

Remarque: le dioxygène (O2) est souvent appelé simplement oxygène dans la vie courante mais ce terme n’est chimiquement pas exacte.

Il reste également moins de 1% d’autres gaz : argon (Ar), néon(Ne), dioxyde de carbone (CO2), ozone (O3) etc.

Cette composition n’était pas la même lorsque la Terre s’est formée et elle a été modifiée profondément par l’apparition de la vie. Les algues bleues, aussi appelées cyanobactéries furent les premières formes de vie à produire du dioxygène il y 3,8 milliards d’années.

En plus, on trouve:

• des particules et microparticules liquides (d’eau)

• des particules et microparticules minérales (glace, poussières, cendres…)

• des micro-organismes (spores, bactéries...)

• des gaz polluants issus d’activités humaines (gaz d’échappements) ou naturelles (comme le volcanisme, les incendies involontaires)

À partir des pourcentages, on peut déterminer la masse molaire de l’air :

L’air est composé de N2: 78% ; O2 : 21% et Ar : 1% (traces de CO2...).

La masse molaire se calcule en utilisant les proportions de chaque espèce (on néglige les gaz ayant un très faible pourcentage):

M = % (O2) × M(O2) + %(N2) × M(N2) M(Ar) = 40 g.mol-1 ; M(o) = 16 g.mol-1 ; M(N) = 14 g.mol-1 ; M(C) = 12 g.mol-1 ;

loi des gaz parfaits

Une bouteille de dioxygène comprimé a pour volume utile V = 5,0 L.

La pression indiquée par le manomètre fixé sur le détendeur est P = 120 bar, à la température T = 27° C.

On pose R = 8,314 Pa.m3 .K-1. Mol-1

Température (K) 
Volume (m3 ) 
Pression (Pa) 
Quantité de matière 
T = 27 °C = ……..K 
V = 5 L=………..m3 
P = 120 bar= …….. Pa 
n =……mol

La pression d’un mélange gazeux comme l’air est égale à la somme des pressions partielles des différents gaz, qui sont proportionnelles aux pourcentages des gaz du mélange. (pN2 + pO2 + pH2O + pCO2).

Les pressions partielles se calculent par la relation :

P = Pabs × % gaz avec Pabs = 1 bar

Question : cocher les bonnes réponses

N2 : 78% ; O2: 21%

Pression partielle en O2 
P = 21 bar  
P = 2,1 bar   
 P = 0,21 bar
Pression partielle en N2 
P = 78 bar  
 P = 0,78 bar 
 P = 7,8 bar 

Le monoxyde de carbone : les risques d’inhalation

Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore, non irritant, très toxique du fait de sa liaison avec l’hémoglobine qui entrave la libération du dioxygène (O2) au niveau tissulaire.

Question : Retrouver la formule brute du monoxyde de carbone, en vous servant du nom ?

CO2         CO         O3

Le monoxyde de carbone, concurrent du dioxygène sur l’hémoglobine. C’est un gaz inodore, asphyxiant, libéré au cours des combustions incomplètes (appareils de chauffage défectueux, gaz d’échappement des voitures, fumée de cigarettes...)


RESUME (partie II)

L’air est un mélange de nombreux gaz, mais ses deux principaux constituants sont:
    • le dioxygène (O2): 21%
    • le diazote (N2): 78%

Il reste également moins de 1% d’autres gaz : argon (Ar), néon(Ne), dioxyde de carbone (CO2), ozone (O3) etc ...

Loi des gaz parfaits

La relation reliant pour un gaz parfait la pression, le volume et la température est appelée relation des gaz parfaits.

Elle n’est valable que pour de faibles pressions où les interactions entre les molécules constitutives du gaz sont très faibles. 

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Les pressions partielles se calculent par la relation: P = Pabs × % gaz ; Pabs = 1 bar

Le monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone est un gaz incolore, inodore, non irritant, très toxique du fait de sa liaison avec l’hémoglobine qui entrave la libération d’oxygène au niveau tissulaire.

Le monoxyde de carbone, concurrent du dioxygène sur l’hémoglobine. C’est un gaz inodore, asphyxiant, libéré au cours des combustions incomplètes (appareils de chauffage défectueux, gaz d’échappement des voitures, fumée de cigarettes...). Les molécules de CO se fixent sur l’hème (ion Fe2+) à la place des molécules d’O2.

L’hémoglobine (Hb) a une affinité 200 fois supérieure pour le CO que pour l’O2. Il se forme de la carboxyhémoglobine qui est un composé stable.

Les gaz à effet de serre

L’effet de serre est un phénomène naturel qui permet la vie sur Terre. L’effet de serre naturel permet donc à notre planète d’avoir une température moyenne de +15°C à sa surface. Sans cela, il y ferait -18°C et toute vie serait alors impossible ! Mais voilà... Nos modes de vie engendrent des émissions de GES en quantité largement supérieure à ce que la planète peut recycler. L’augmentation des températures crée une élévation des niveaux des océans et des événements météorologiques extrêmes (canicule, sécheresse, inondations, tempêtes...).

L’eau potable

L’eau potable est une eau que l’on peut boire sans risque pour la santé.


 Comment les polluants de l’air et de l’eau sont-ils gérés ? 


Les macropolluants

Les macropolluants sont des molécules de grande taille (par rapport aux micropolluants), qui sont soit naturellement présents dans l’eau, soit apportés par l’activité humaine mais qui ne présentent pas d’inconvénient pour la vie aquatique.

Les micropolluants

Le terme micropolluants désigne un composé minéral ou organique dont les effets sont toxiques à très faible concentration. On distingue quatre types de micropolluants : les métaux, les pesticides, les hydrocarbures, Les solvants chlorés, les micro polluants issus de la microbiologie.

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