Les caractéristiques physico-chimiques de l’eau

Une solution est un mélange homogène obtenue par dissolution d’un ou plusieurs solutés (sous formes moléculaire ou ionique) dans un solvant (espèce chimique majoritaire).

L’eau, qui contient des minéraux (que l’on peut lire derrière une bouteille d’eau), est donc une solution et non un corps pur.

Propriétés physico-chimiques

Le pH (potentiel hydrogène) indique si une eau est acide (pH inférieur à 7) ou alcaline (pH supérieur à 7). Un pH idéal est compris entre 6,5 et 9. 

Elle possède une chaleur spécifique élevée : il faut beaucoup d’énergie pour élever ou abaisser sa température.

Sa tension superficielle est élevée, ce qui permet à certains insectes de « marcher sur l’eau ».

L’eau présente de grandes variations de densité en fonction de l’état physique dans lequel elle se présente.

Minéralisation et conductivité

La conductivité mesure la capacité d'une eau à conduire le courant électrique. Plus la valeur est élevée, plus la solution est conductrice donc riche en ions.

Lorsque la température augmente, la conductivité augmente aussi car l'agitation thermique est plus importante. C'est une grandeur en rapport avec la minéralisation. 

Le résidu à sec, qui contient ces ions, permet de classer ces eaux : 

• eau faiblement minéralisée : résidu à sec < 500 mg/L
• eau moyennement minéralisée : 500 mg/L < résidu à sec < 1500 mg/L
• eau fortement minéralisée : résidu à sec > 1500 mg/L.

Le titre hydrotimétrique plus connu sous le nom de TH est l'indicateur de minéralisation de l'eau. Cela représente la somme des ions calcium magnésium contenus dans l'eau.

C'est l'un des indicateurs de la qualité de l'eau, l'autre étant le TAC (Titre Alcalimétrique Complet). Le TH indique la dureté de l'eau et s'exprime en ºf (degrés français).

Concentration massique et molaire, dilution, dissolution

La concentration en masse de soluté en $\rm g.L^{−1}$ dans une solution est $\rm C_m=m_{soluté~dissous}V_{solution}$.
La solution est saturée : le soluté ne se dissout plus dans le solvant quand la concentration en masse de soluté est maximale.

On peut préparer une solution par :

• Dissolution : si le soluté est solide, on calcule la masse de soluté avec
  $\rm m_{soluté}=C_m \times V_{solution}$ en utilisant une fiole jaugée de volume égal au volume de solution à préparer.

• Dilution : diluer une solution mère de concentration en masse $\rm C_{m0}$ connue, consiste à y ajouter du solvant afin de préparer un volume $V_1$ de solution fille de concentration en masse $\rm C_{m1}$. On cherche le volume $\rm V_0$ à prélever avec une pipette jaugée et à introduire dans la fiole jaugée de volume $\rm V_1$. Au cours d’une dilution, la masse de soluté dissous se conserve donc $\rm m_0=m_1$ donc $\rm C_{m0} \times V_0= C_{m1} \times V_1$.

Un dosage par étalonnage consiste à préparer des solutions filles à partir d’une solution mère étalon et ainsi, de comparer la couleur (échelle de teintes) de la solution avec celles des solutions filles préparées pour avoir un encadrement de la concentration massique de la solution.

La quantité de matière $\rm n$ (en mol) est utilisée pour dénombrer les entités (atomes, molécules, ions). On écrit : $\rm n=N/N_A$ avec $\rm N$ nombre d’entités et $\rm N_A$ constante d'Avogadro avec $\rm N_A=6,02⋅10^{23} ~mol^{−1}$.

La masse molaire atomique $\rm M$ en $\rm g.mol^{−1}$ d’un élément est la masse d’une mole d’atomes de cet élément. On écrit $\rm M=N_A \times m$ avec $\rm m$ masse de l’entité en g. On trouve les valeurs des masses molaires atomiques dans le tableau périodique. La masse molaire moléculaire M en $\rm g.mol^{−1}$ d’un élément est la masse d’une mole de molécules : elle est égale à la somme des masses molaires atomiques de tous les atomes qui constituent la molécule.

Le volume molaire $\rm V_m$ d’une espèce à l’état gazeux est le volume occupé par une mole de gaz à températures fixées. À 20°C et 1013 hPa, le volume occupé par une mole de gaz est $\rm V_m=24,0~ L.mol^{−1}$.

Calculs des quantités de matière :

• À partir de la masse d’une espèce chimique :
  La quantité de matière n (en mol) d’une espèce chimique de masse m (en g) et de masse molaire M (en $\rm g.mol^{−1}$) est : $\rm n~=~m/M$
  
  
• À partir du volume d’un échantillon :
  La quantité de matière n (en mol) d’un gaz de volume V en L est : $\rm n=V/V_m$
  
  
• À partir du volume d’un corps pur :
  $\rm n=m/M=ρ \times V/M$ avec ρ masse volumique ρ d’une espèce en $\rm g.L^{−1}$
  
  
• À partir de la concentration molaire C d’une espèce en solution (en $mol.L^{−1}$) :
  $\rm n=C \times V_{solution}$ avec $\rm V_{solution}$ en L.

Remarque : la concentration massique $\rm C_m$ s’obtient : $\rm C_m=C \times M$.