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L'eau

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Introduction :

Ce cours traite sur le thème de l’eau. Nous verrons donc ce qu’elle représente pour le vivant et l’environnement, mais aussi tout le potentiel dont elle est porteuse pour l’Homme et la science.

Dans un premier temps, nous analyserons les problématiques rencontrées par notre société quant à la qualité de l’eau.
Puis, nous aborderons son étude d’un point de vue industriel et technologique.
Enfin, nous étudierons les solutions prometteuses que l’eau peut offrir dans la course aux énergies propres.

L’eau, une problématique pour l’Homme

Témoin environnemental

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À retenir

L’eau est le composé chimique le plus abondant à la surface de la Terre. Elle couvre presque 71 % de sa surface.

Elle est nécessaire à l’apparition de la vie et à son maintien. Sa présence ou son action dans notre environnement immédiat n’est pas toujours perceptible au premier regard, elle joue pourtant un rôle fondamental partout où elle est présente :

  • les êtres vivants sont majoritairement constitués d’eau. En ce qui nous concerne, notre corps est composé de 65 % d’eau liquide. L’eau sert à la fois de milieu de vie à nos cellules et de solvant aux substances nécessaires à leur métabolisme. Elle permet aussi l’élimination des déchets cellulaires, ou encore le maintien d’une température constante dans notre corps ;
  • l’eau est également présente dans l’atmosphère à l’état gazeux. Elle provient majoritairement de l’évaporation des océans et joue, là encore, un rôle thermorégulateur ;
  • l’eau atmosphérique retombe en pluie sur les continents. Elle est responsable de l’érosion. En dégradant les reliefs, ou en creusant le lit des cours d’eau, l’eau de ruissellement se charge en sédiments. Ainsi enrichie de nutriments et de sels minéraux, elle fertilise le sol et permet l’agriculture ;
  • l’eau des océans a des températures variables en fonction de son emplacement et de sa profondeur. De ces différences de température naissent les courants marins, qui agissent sur le climat planétaire. Les scientifiques étudient les courants marins à l’aide de prélèvements où sont présents des traceurs chimiques, ou des radioéléments (comme le radium ou le néodyme).

L’eau des océans est capable de retenir de grandes quantités de $\text{CO}_2$ atmosphérique par dissolution du dioxyde de carbone présent dans l’air. Les océans, en absorbant le $\text{CO}_2$, abaissent leur pH. L’acidité des océans a ainsi augmenté d’environ 30 % depuis le début de la révolution industrielle.

Le dioxyde de carbone dissout dans l’eau réagit avec le carbonate (${\text{CO}_3}^{2-}$) naturellement présent.

Cartographie de la variation du carbonate depuis la révolution industrielle physique-chimie terminale Cartographie de la variation de concentration de carbonate depuis la révolution industrielle

On peut voir sur cette carte que la concentration en carbonate en $\text{mmol}\cdot \text{m}^{-3}$ a nettement diminué depuis les débuts de l’ère industrielle. Ce qui témoigne d’une augmentation importante du $\text{CO}_2$ dissout dans l’eau.

  • Puisque l’eau est présente à tous les niveaux de notre écosystème, sa qualité et sa composition permettent de mesurer efficacement nos émissions de dioxyde de carbone.

Cela permet d’anticiper les conséquences climatiques et environnementales pour les années et siècles à venir.

La baisse du carbonate n’est pas seulement un indicateur climatique. En effet, certaines espèces, comme le corail, produisent des concrétions de carbonate de calcium $(\text{CaCO}_3)$ pour survivre. Pour cela les organismes font précipiter le carbonate ; l’ion calcium II réagit avec le carbonate pour donner du carbonate de calcium $(\text{Ca}^{2+} + {\text{CO}_3}^{2-} \rightleftarrows \text{CaCO}_3)$.

Or, ce carbonate est déjà monopolisé par le $\text{CO}_2$ dissout, ce qui met directement en danger de nombreuses espèces interdépendantes et menace plusieurs écosystèmes.

Processus  d’absorption du dioxyde de carbone par les océans physique-chimie terminale Processus d’absorption du dioxyde de carbone par les océans

Consommation

71 % de la Terre est recouverte d’eau et 97 % de cette eau est salée. Les 3 % restants sont les réservoirs d’eau douce constitués par les lacs et les cours d’eau, les glaciers, l’eau atmosphérique et enfin les nappes phréatiques. À cause de sa rareté, l’eau potable est un enjeu politique et économique majeur de nos sociétés.

Malheureusement, la rareté de l’eau potable augmente sans cesse car l’eau douce de l’atmosphère et des nappes phréatiques est polluée par les industries. On y trouve, dans des concentrations qui la rendent dangereuse à consommer, divers éléments chimiques comme les pesticides, les nitrates, les phosphates liés à l’agriculture, ou encore les métaux lourds (plomb, fluor, mercure).

La pollution de l’eau pose aussi problème au niveau environnemental : par exemple, les oxydes de soufre et d’azote présents dans l’atmosphère sont la cause des pluies acides qui détruisent les forêts ; et les nitrates qui saturent les rivières empêchent la vie aquatique.

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À retenir

Il convient donc de surveiller l’état réel de l’eau et l’avancée de la pollution. Ce rôle incombe aux scientifiques qui effectuent des relevés et des mesures grâce à plusieurs méthodes physico-chimiques comme la chromatographie en phase liquide ou gazeuse, la spectrométrie de masse, et la résonance magnétique nucléaire.

Lorsqu’une eau a été polluée, il faut l’épurer pour la rendre consommable. Le processus est long et coûteux. Il met en jeu :

  • des procédés physiques : la décantation, la précipitation ou filtration ;
  • et des procédés chimiques : l’ozonation par ultraviolets, l’acidification ou la chloration.

Assainissement et distribution d’eau potable physique-chimie terminale Assainissement et distribution d’eau potable

Pour augmenter la quantité d’eau douce disponible, on peut également procéder au dessalement de l’eau de mer, par distillation ou osmose inverse (qui consiste à faire passer de l’eau salée à travers une fine membrane). Pour autant ces solutions ne sont pas viables à grande échelle :

  • la distillation est trop polluante,
  • et l’osmose inverse est trop coûteuse.

Protection de la nature

L’eau usée par les particuliers et les industries doit également être traitée avant d’être rejetée dans les cours d’eau et les océans. On se servira de procédés tels que le dessablage, le dégraissage ou encore le traitement biologique par bactéries pour désinfecter et assainir l’eau.

Après ces procédés, il ne reste que des « boues », qu’il faut faire sécher et qui sont parfois réutilisées en épandage, ou stockées lorsqu’elles sont polluantes.

Traitement des eaux usées physique-chimie terminale Traitement des eaux usées

Si l’eau représente une problématique actuelle pour notre société, elle est également une source de richesse encore inexploitée.

L’eau, une richesse pour l’Homme

Ressources minérales

Les fonds marins sont une source gigantesque de fer, manganèse, silices et zinc. Ces éléments proviennent de trois sources principales :

  • les nodules polymétalliques (qui sont des concrétions rocheuses, comme le carbonate de calcium vu précédemment),
  • les encroûtements cobaltifères (précipitations en milieu marin),
  • et les sulfures hydrothermaux (l’eau salée s’infiltre dans des fissures de la croûte terrestre où elle dissout certains métaux pour les faire remonter jusqu’au plancher marin).

Ces gisements sont à ce jour peu exploités, car difficilement accessibles. Ils constituent pourtant une future réponse aux besoins croissants en métaux et granulats. Par ailleurs, avec la croissance démographique et la forte demande économique des pays émergents, la découverte de nouvelles ressources est nécessaire.

On peut également trouver au fond des océans des sources de gaz naturel et de pétrole. Les océans des pôles sont très convoités car riches de ces deux énergies.

Ressources organiques

Les océans forment également un écosystème riche en ressources organiques : poissons, crustacés, algues et phytoplanctons.

On trouve aussi au sein de la faune et de la flore marine certains composés inhabituels ou très rares dans les organismes terrestres :

  • des hydrocarbures :
  • les terpènes marins qui sont composés de groupes fonctionnels azotés inhabituels ;
  • les hydrates de gaz d’origine organique, présents dans les fonds marins, pourraient quant à eux représenter une source d’énergie alternative au pétrole. Cela permettrait d’accéder à une nouvelle source d’énergie fossile, mais ne réglerait cependant pas le problème lié à l’environnement ;
  • des chaînes fonctionnelles :
  • les hydroperoxydes, et les peroxydes linéaires ou cycliques qui proviennent d’éponges marines ;
  • les polysaccharides sulfatés présents dans des algues rouges, très utilisés dans l’industrie agro-alimentaire.

La plupart des ressources organiques découvertes dans les fonds marins fascinent la communauté scientifique.

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Exemple

Par exemple, de l’arsenic, pourtant toxique, a été retrouvé dans certaines éponges.

Sans tous avoir une application industrielle ou médicale immédiate, ces nouveaux composés pourraient nous permettre de mieux comprendre la nature et le vivant.

Outre les ressources exploitables dans les fonds marins, c’est l’eau elle-même qui pourrait, dans les années à venir, représenter la clef de notre transition énergétique.

Eau et énergie, le défi du XXIe siècle

Une source d’énergie

L’Homme utilise sans cesse des énergies fossiles, et c’est pour cette raison que le gaz carbonique présent dans l’atmosphère ne cesse d’augmenter.

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Définition

Pollution anthropique :

On dit que la pollution est anthropique lorsqu’elle a pour origine l’Homme (ou l’activité humaine).

C’est la progression perpétuelle des besoins en énergie qui augmente chaque jour l’émission de polluants. Le défi actuel est donc de développer des énergies propres.

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À retenir

L’eau est en bonne position dans cette course technologique : les dernières innovations dans ce domaine permettent l’utilisation de l’énergie marémotrice, c’est-à-dire l’énergie des vagues et des courants marins pour produire de l’électricité.

La pile à combustible

Une autre innovation est actuellement étudiée : la pile à combustible. Cette technologie est connue depuis le XIXe siècle, mais a très vite été mise de côté au profit de ressources fossiles moins coûteuses.

Cette pile met en jeu des réactions d’oxydoréduction classiques impliquant du dihydrogène $(2\text{H}_2)$ et du dioxygène $(\text{O}_2)$.

  • Son avantage est qu’elle n’utilise que des gaz pour fonctionner et ne produit que de l’eau.

La réaction se fait à l’état gazeux. Elle fait réagir deux dihydrogènes avec une molécule d’oxygène et génère deux molécules d’eau.

${2\ \text {H}_2}_{(gaz)} + {\text {O}_2}_{(gaz)} ⇆{2\ \text {H}_2\text {O}}_{(gaz)}$

Pile à combustible physique-chimie terminale Pile à combustible

Cependant, la pile à combustible nécessite l’utilisation de membranes en polymère à base de platine, un métal rare et polluant. Les scientifiques cherchent donc actuellement des alternatives.

Par ailleurs, si le dioxygène mis en jeu dans la réaction est très abondant dans l’air, ce n’est pas le cas du dihydrogène qui doit être produit industriellement. Les industries peuvent le produire de plusieurs manières :

  • par électrolyse de l’eau $({2\ \text {H}_2\text {O}}\leftrightarrows{2\ \text {H}_2} + {\text {O}_2})$, ce qui est exactement la réaction inverse à celle faite dans la pile ;
  • ou par décomposition du méthane dans l’eau : $(\text {CH}_4 + 2\ \text {H}_2\text O \leftrightarrows 4\ \text H_2 + \text{CO}_2)$. Mais cette technique utilise une énergie fossile et libère du $\text{CO}_2$, ce qui ne fera qu’aggraver le problème de pollution atmosphérique, l’enjeu est donc de trouver un moyen plus propre de produire du dihydrogène.

Conclusion :

Si l’eau est un objet d’étude si important pour la science, c’est parce qu’elle peut également être une source d’énergie propre, grâce aux courants marins et aux marées ou par l’utilisation du dihydrogène obtenu par électrolyse dans une pile à combustible. La réaction d’électrolyse $({2\ \text {H}_2\text {O}}\leftrightarrows{2\ \text {H}_2} + {\text {O}_2})$ serait alors la solution au problème des énergies fossiles polluantes.