Soutenance mémoire
GENERALITES SUR L’EAU
Histoire et découverte de l’eau
Étymologiquement, le mot eau vient du latin aqua (qui a donné par exemple aquarium). L’histoire de l’eau et celle des hommes sont intimement liées, la recherche de points d’eau a longtemps mobilisé les énergies et des civilisations sont nées sur le cours des grands fleuves. La conquête de l’eau par l’homme fut longue. Elle a suivi et structuré l’évolution des sociétés humaines. L’histoire de l’eau, c’est aussi la maîtrise et l’étude, grâce aux progrès de la science, des étapes de son cycle éternel. C’est enfin celle de la découverte de la molécule H2O, de ses multiples propriétés et de leurs applications techniques et pratiques.
Propriétés de l’eau
L’eau, encore appelée oxyde de dihydrogène, hydroxyde d’hydrogène ou acide hydroxyque, est un composé chimique simple, mais avec des propriétés complexes à cause de sa polarisation (voir nature dipolaire de l’eau). Sa formule chimique est H2O, c’est-à-dire que chaque molécule d’eau se compose d’un atome d’oxygène entre deux atomes d’hydrogène, disposés en V très ouvert .
Propriétés physiques
À pression ambiante (environ un bar), l’eau est gazeuse au-dessus de 100°C, solide en dessous de 0°C, et liquide dans les conditions normales de température et de pression. C’est là une particularité essentielle: les autres composés proches ou apparentés, (sulfure d’hydrogène, ammoniac, et méthane par exemple), sont tous gazeux à des températures bien plus basses. L’état de l’eau dépend des conditions de pression (P) et de température (T). Il existe une situation unique (P, T) dans laquelle les trois formes solide, liquide et gazeuse coexistent ; cette situation est appelée « point triple de l’eau », et a lieu à une température de 273,16 K (0,01°C) et une pression de 611,2 Pa .
Les unités de température sont définies grâce à ce point triple de l’eau. La vélocité du son dans l’eau est de 1 500 m/s dans les conditions normales de température et de pression. La masse de 1 L d’eau à la température de 4 °C était la première définition du kilogramme. Par approximation, on prend, pour la masse volumique de l’eau dans les conditions normales, la valeur de 1 000 kg/m3 , soit un kilogramme par litre [22]. La chaleur massique de l’eau est de 4 186 J/ (kg·K) dans les conditions normales de température et de pression. L’eau était utilisée comme étalon de chaleur dans d’anciens systèmes d’unité : la calorie quantifiait la chaleur à apporter ou à soustraire pour augmenter ou réduire d’un degré Celsius la température d’un gramme d’eau : soit 4,186 joules [6].
Propriétés chimiques de l’eau
La molécule d’eau forme un angle de 104,45° au niveau de l’atome d’oxygène entre les deux atomes d’hydrogène. Puisque l’oxygène a une électronégativité plus forte que l’hydrogène, le côté de la molécule d’eau où se trouve l’atome d’oxygène est chargé négativement par comparaison avec le côté hydrogène. Une molécule avec une telle différence de charge est appelée un dipôle (molécule polaire) ayant un moment dipolaire de 1,83 D (Figure 3). Cette différence de charge fait que les molécules d’eau s’attirent les unes les autres, le côté positif de l’une attirant le côté négatif d’une autre. Un tel lien électrique entre deux molécules s’appelle un pont hydrogène ou une liaison hydrogène. Cette polarisation permet aussi à la molécule d’eau de dissoudre les corps ioniques, en particulier les sels, et de les maintenir dans cet état en entourant chaque ion d’une coque de molécule d’eau: c’est la solvatation (voir cidessous propriétés solvant).
Equilibre acido-basique
L’eau se dissocie naturellement en ion hydronium H3O+ et ion hydroxyde
OH− selon l’équation:
2H2O ⇆ H3O+ + OH−
Par perte d’un proton H+ , elle devient OH− et par gain d’un proton H+ , elle devient l’ion hydronium H3O+ ; on dit donc que c’est un amphotère. Du fait de l’équilibre, à une température donnée, le produit des concentrations de ces ions, ou « produit ionique», est constant. À 25°C, il vaut: [H3O+] × [OH− ] = 10−14 . Les ions hydroniums et hydroxydes sont très réactifs, ils peuvent attaquer d’autres matériaux et les dissoudre. On définit l’acidité grâce à la concentration en ion hydronium, par le pH: pH = −log [H3O+]. À 25°C, le pH de l’eau pure vaut 7, il est dit neutre. L’ajout de certains produits dits « acides » va déplacer l’équilibre de dissociation de l’eau et abaisser le pH (augmentation du nombre d’ions hydronium) ; à l’inverse, l’ajout de certains produits dits « basiques » va déséquilibrer la réaction dans l’autre sens, favoriser la présence d’ions hydroxyde et augmenter le pH. Cet équilibre acide/base est d’une importance capitale en chimie minérale comme en chimie organique.
Pouvoir solvant
Grâce à sa polarité, l’eau est un excellent solvant. Quand un composé ionique ou polaire pénètre dans l’eau, il est entouré de molécules d’eau. La relative petite taille de ces molécules d’eau fait que plusieurs d’entre elles entourent la molécule de soluté. Les dipôles négatifs de l’eau attirent les régions positivement chargées du soluté, et vice versa pour les dipôles positifs.
L’eau fait un excellent écran aux interactions électriques (la permittivité électrique (εe) de l’eau est de 78,5 à 25°C), il dissocie donc facilement les ions. En général, les substances ioniques et polaires comme les acides, alcools, et sels se dissolvent facilement dans l’eau, et les substances non-polaires comme les huiles et les graisses se dissolvent difficilement. Ces substances non-polaires restent ensemble dans l’eau car il est énergétiquement plus facile pour les molécules d’eau de former des ponts hydrogène entre elles que de s’engager dans des interactions de van der Waals avec les molécules non polaires. Un exemple de soluté ionique est le sel de cuisine (NaCl) qui se sépare en cations Na+ et anions Cl− , chacun entouré de molécules d’eau. Les ions sont alors facilement transportés loin de leur matrice cristalline. Un exemple de soluté non ionique est le sucre de table. Les dipôles des molécules d’eau forment des ponts hydrogène avec les régions dipolaires, de la molécule de sucre, et celle-ci est ainsi extraite vers l’eau liquide. Cette faculté de solvant de l’eau est vitale en biologie, parce que certaines réactions biochimiques n’ont lieu qu’en solution (par exemple, réactions dans le cytoplasme ou le sang). Par ailleurs, ces différentes propriétés font qu’il y a une circulation de l’eau entre les différents compartiments terrestres communément appelée cycle de l’eau.
Cycle de l’eau
L’eau recouvre les trois quarts de la surface de notre planète. On la trouve partout, et sous de multiples formes: pluie, cours d’eau, mers, océans, lacs, nappes souterraines, vapeur, nuages, glaces… sans oublier toute l’eau contenue dans le sol et la végétation. Tous ces éléments participent à ce que l’on appelle « le cycle de l’eau ». En effet, depuis qu’elle est apparue sur Terre, il y a quelque quatre milliards d’années, la quantité d’eau présente sur la planète, évaluée, au total, à 1 400 millions de km3 , n’a pas changé. C’est toujours le même volume d’eau qui ne cesse de se transformer, passant par les différents états (vapeur, liquide et glace), pour perpétuer le cycle éternel de l’eau [12 ; 13]. Sous l’action de l’énergie solaire, l’eau, dans un mouvement incessant, s’évapore et retombe sous forme de pluie, de neige ou de grêle, s’infiltre ou ruisselle sur les continents ; après un temps de séjour plus ou moins long (stockage) dans les végétaux, les sols, les nappes souterraines, les glaciers et les cours d’eau, elle rejoint l’océan, qui présente une immense surface d’évaporation (Figure 4). Le cycle de l’eau explique la répartition de l’eau sur la planète.
Ressources en eau
85% de l’alimentation en eau du Sénégal proviennent de deux ensembles géologiques souterrains (le socle ancien et le bassin sédimentaire). 15% seulement sont apportées en complément par deux systèmes hydrologiques majeurs et permanents : le fleuve Sénégal et la Gambie. Le Sine, le Saloum et la Casamance ne sont qu’exceptionnellement fonctionnels [5]. Les quantités d’eau nécessaires sont énormes, et font que les nappes s’épuisent et les sources se révèlent insuffisantes. L’Homme doit se tourner sur les eaux de surface, hélas, souvent polluées [20]. Schématiquement, nous disposons en proportions différentes, selon les régions, de quatre grandes « Source » d’eau:
-les eaux souterraines
-les eaux de surface
-les eaux recyclées
-les eaux artificielles.
Les premières, sans doute, souvent associées à l’idée du thermalisme, sont parées dans l’esprit du public comme possédant des vertus particulières, mais la quantité disponible de ces eaux « naturelles » serait bien insuffisante pour les usages domestiques, notamment dans les grandes agglomérations. La nécessité s’impose alors de recourir davantage aux eaux superficielles qui, plus que d’autres, sont exposées aux pollutions. Les débits disponibles peuvent s’avérer insuffisantes, notamment dans les régions fortement industrialisées. Il est alors nécessaire d’avoir recours au recyclage des eaux, avec toutes les contraintes de l’utilisation, de contrôle et de retraitement que cela suppose [15]. Enfin la recherche d’eau dans certaines régions climatiques difficiles peut conduire à utiliser des eaux fossiles (exemple glacier du Groenland) ou à puiser dans la ressource considérable des océans (exemple par distillation de l’eau de mer). Ces eaux entre dans la catégorie des eaux artificielles, dans la mesure où leur production nécessite un artifice (fusion, distillation…) [5].
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : REVUES BIBLIOGRAPHIQUES SUR L’EAU
I. GENERALITE SUR L’EAU
I.1. Histoire et découverte de l’eau
I.2. Propriétés de l’eau
I.2.1. Propriétés physiques
I.2.2. Propriétés chimiques
I.2.2.1. Equilibre acido-basique
I.2.2.2. Pouvoir solvant
I.3. Cycle de l’eau
I.4. Ressources en eau
I.4.1. Eaux de surface
I.4.1.1. Eaux de surface courantes
I.4.1.2.Eaux stagnantes
I.4.2. Eaux souterraines
I.5. Contamination et épuration de l’eau
I.6. Types d’eaux de boisson
I.7. Pathologies liées à l’eau
I.7.1. Maladies d’origine bactérienne
I.7.2. Maladies d’origine virale
I.7.3. Maladies d’origine parasitaire
I.7.4. Maladies d’origine chimique
II. CONTROLE DE QUALITE DES EAUX
II.1. Paramètres physicochimiques
II.1.1. pH
II.1.2.Température
II.1.3. Résidu sec
II.1.4. Conductivité
II.1.5. Dureté
II.1.6. Gout et odeur
II.1.7. Calcium
II.1.8. Magnésium
II.1.9. Sodium
II.1.10. Potassium
II.1.11. Bicarbonates
II.1.12. Fluorures
II.1.13. Sulfates
II.1.14. Chlorures
II.1.15. Phosphates
II.1.16. Nitrates et Nitrites
II.1.17. Fer et manganèse
II.2. Paramètres microbiologiques
II.2.1. Coliformes totaux
II.2.2. Coliformes fécaux
DEUXIEME PARTIE : MATERIEL ET METHODES
I. CADRE D’ETUDE
II. METHODOLOGIE
II.1. Matériel
II.1.1. Appareillage
II.1.2. Verrerie et petit matériel de laboratoire
II.1.3. Standards et réactifs
II.2. Echantillonnage
II.3. Méthodes de mesure des paramètres étudiés
II.3.1. Détermination de la conductivité
II.3.2. Détermination du pH
II.3.3. Titrage des ions bicarbonates
II.3.4. Dosage des principaux minéraux présents dans l’eau
II.3.4.1. Principe
II.3.4.2. Chaine chromatographique
II.3.4.3. Conditions chromatographiques
II.3.4.4. Pilotage du système et exploitation des données
II.4. Outils et méthodes d’analyse des résultats
II.4.1. Outils
II.4.2. Méthodes d’analyse des résultats
TROISIEME PARTIE : RESULTATS ET DISCUSSION
I. RESULTATS
I.1. Paramètres physicochimiques
I.1.1. pH
I.1.2. Conductivité
I.1.3. Teneur en bicarbonates
I.1.4. Teneur en calcium
I.1.5. Teneur en potassium
I.1.6. Teneur en sodium
I.1.7. Teneur en chlorures
I.1.8. Teneur en nitrates
I.1.9. Teneur en sulfates
I.1.10. Teneur en magnésium
I.2. Faciès hydrochimique des eaux
I.2.1. Faciès cationique
I.2.2. Faciès anionique
I.2.3. Faciès global ionique
I.2.4. Profil ionique des eaux
I.3. Composition ionique des marques d’eaux étudiées
II. DISCUSSION
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
