Approche de la chimie par l'étude de l'eau/L'eau dans l'environnement

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Introduction

L'eau est un composé chimique ubiquitaire sur Terre, on la trouve à l'état liquide, sous forme d'eau salée dans les océans, d'eau douce dans les fleuves et les rivières, sous forme de gouttelettes dans les nuages et à l'état solide dans les glaciers, mais elle est également présente à l'état de vapeur partout dans l'atmosphère. Elle est essentielle pour le développement de la vie. Le corps humain est composé à 60% d'eau pour l'adulte et 70% pour les nourrissons. Elle n'est jamais pure à l'état naturel. La formule chimique de l'eau est H₂O.

Cycle de l'eau

Les océans, les lacs, les étangs, les nappes phréatiques, les glaciers et l'atmosphère sont des réservoirs d'eau, ils s'échangent constamment de l'eau au cours de différents processus naturels tels que l'évaporation, l'infiltration, le ruissellement et les précipitations. Les différentes infrastructures créées par l'homme entraînent une modification du trajet et de la nature de l'eau. Par exemple, le puits extrait l'eau d'une nappe phréatique et après avoir été utilisée, l'eau est réintroduite dans la nature avec un degré de pollution plus ou moins grand. Ainsi, cette pollution pourra se retrouver dans les différents milieux que l'eau traversera par la suite.

Figure 1 : Schéma du cycle de l'eau

Le cycle de l'eau est représenté Figure 1. L'énergie solaire entraîne l'évaporation de l'eau des océans dans l'atmosphère, le gaz formé va ensuite se condenser pour conduire à la formation de nuages qui précipiteront sous forme de pluie/neige. La pluie va ensuite ruisseler sur le sol jusqu'à un lac ou un cours d'eau qui la ramènera vers l'océan. Au cours du ruissellement, l'eau s'infiltre dans des fissures naturelles du sol pour atteindre les nappes phréatiques. Les végétaux participent également, ils pompent l'eau à partir de leurs racines et en rejettent une partie dans l'atmosphère, ce processus est appelé évapo-transpiration.

L'eau, composant majeur du vivant

L'eau est également un composé que l’on retrouve partout dans le vivant, ainsi tous les aliments contiennent une plus ou moins grande proportion d'eau. Par exemple une tomate est constituée à 93% d'eau, le riz sauvage 74%, une noisette 2,5%. Il existe des bases de données décrivant la composition de tous les aliments que nous mangeons.

http://www.lanutrition.fr/aliments-index.php

Ces données montrent l'omniprésence de l'eau dans tous nos aliments. Il est alors judicieux de se demander comment faire pour détecter l'eau quand nos sens sont insuffisants.

Test de présence d'eau

Echantillon de Sulfate de Cuivre II pentahydraté

Il est possible de déceler la présence d'eau dans un milieu grâce au sulfate de cuivre. Le sulfate de cuivre anhydre (qui ne contient pas d'eau) a pour formule chimique CuSO₄ et se présente sous la forme d'une poudre blanche grisâtre, quand il est en présence d'eau il va prendre une couleur bleue et sera sous forme hydratée CuSO₄,5H₂O.

Expériences

Précautions

Informations relatives aux risques encourus lors de la manipulation du sulfate de cuivre :

• Nocif en cas d'ingestion.
• Irritant pour les yeux.
• Irritant pour la peau.
• Très toxique pour les organismes aquatiques.
• Peut entraîner des effets néfastes à long terme pour l'environnement aquatique.

Le sulfate de cuivre est un produit présentant une certaine toxicité, il est impératif de porter des lunettes de protection, des gants et un masque pour toute utilisation. Les deux dernières phrases indiquent que c’est un produit dangereux pour l'environnement et que les déchets doivent subir un traitement spécifique.

La verrerie utilisée (Figure 2 et 3) est en Pyrex™ qui est un verre plus résistant aux chocs thermiques (variations brusques de la température) et peut donc être mis en contact avec une flamme. Il a également un faible coefficient de dilatation (variation de volume quand la température change) ce qui est très important pour garder une bonne précision sur les volumes mesurés. Elle doit être nettoyée à l'eau distillée puis séchée à l'air libre. L'eau distillée est fabriquée par vaporisation de l'eau puis condensation de la vapeur dans un autre récipient, ceci permet d'obtenir une eau débarrassée de toutes impuretés susceptibles d'interagir avec les produits utilisés ou de laisser des traces de résidu (calcaire par exemple) lorsqu'elle s'évapore sur la verrerie.

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  Figure 2 Verre de montre utilisé en laboratoire
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  Figure 3 Bécher utilisé en laboratoire

Expérience n^o 1

Figure 4 : Test de présence de l'eau avec de l'eau distillée.

Une petite quantité de poudre de sulfate de cuivre est placée dans un verre de montre, puis un petit volume d'eau est versé sur la poudre à l'aide d'un bécher.

Observation

La poudre à l'origine grisâtre devient bleue au contact de l'eau distillée.

Interprétation

Le sulfate de cuivre anhydre CuSO₄ a capté de l'eau pour former du sulfate de cuivre hydraté CuSO₄,5H₂O.

Conclusion

Le sulfate de cuivre a permis l'identification de l'eau.

Expérience n^o 2

Figure 5 : Test de présence de l'eau avec de l'huile.

Une petite quantité de poudre de sulfate de cuivre est placée dans un verre de montre, puis un petit volume d'huile est versé sur la poudre à l'aide d'un bécher.

Observation

Le sulfate de cuivre reste sous forme de poudre grisâtre.

Interprétation

Le sulfate de cuivre reste sous sa forme anhydre CuSO₄.

Conclusion

L'huile ne contient pas d'eau.

Remarque :

• En chauffant le sulfate de cuivre hydraté, on fait évaporer l'eau et la poudre redevient grisâtre.
• Il est important de conserver le sulfate de cuivre anhydre dans un récipient hermétiquement fermé pour éviter son hydratation par l'humidité de l'air ambiante.