Chimie des milieux aquatiques - .6.2 La chimie de coordination et sa signification pour la sp©ciation

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Text of Chimie des milieux aquatiques - .6.2 La chimie de coordination et sa signification pour la...

  • 5e dition

    Laura SiggPhilippe BehraWerner Stumm

    Chimie des milieux aquatiques

  • Dunod, Paris, 2000, 2006, 2014 Masson, Paris, 1994, pour la 2e dition

    ISBN 978-2-10-058801-5

    Retrouvez les complments en ligne de louvrage sur www.dunod.com/contenuscomplementaires/9782100588015

    Illustration de couverture : Canal du Midi Philippe Behra

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    Table des maTires

    Prface IX

    Prologue XI

    Avant-Propos XII

    Remerciements XV

    Chapitre 1. La composition chimique des eaux naturelles 1

    1.1 Introduction 1

    1.2 Cycle global de leau 2

    1.3 Les processus daltration 4

    1.4 Interaction entre les organismes et leau 4

    1.5 Processus chimiques et composition des eaux 7

    1.6 Leau et ses proprits particulires 12

    Exercices dapplication 17

    Chapitre 2. Acides et bases 23

    2.1 Introduction 23

    2.2 Thorie acide-base 24

    2.3 La force dun acide ou dune base 25

    2.4 Concentrations des acides et des bases en fonction du pH 27

    2.5 Les calculs dquilibre 29

    2.6 pH en tant que variable principale ; diagramme log-log pour la reprsentation et la solution des problmes dquilibre 35

    2.7 Courbes de titrage acide-base 43

    2.8 La capacit de neutralisation dun acide et dune base 46

    2.9 Convention de pH et dactivit 47

    2.10 Prcipitations atmosphriques acides 51

    Exercices dapplication 56

  • Table des matires

    IV

    Chapitre 3. quilibres des carbonates 58

    3.1 Introduction 58

    3.2 Systmes des carbonates ouvert et ferm ; modles pour les eaux naturelles 60

    3.3 Alcalinit et acidit 73

    3.4 Le pouvoir tampon du systme carbonat 79

    3.5 Dosage analytique de lalcalinit et de lacidit 80

    Exercices dapplication 85

    Chapitre 4. Interactions eau atmosphre 88

    4.1 Introduction 88

    4.2 quilibres gaz-eau ; signification pour la chimie des nuages, des pluies et des brouillards 89

    4.3 La gense dune gouttelette de brouillard 104

    4.4 Arosols 106

    4.5 Acidification et restauration des eaux de surface 108

    Exercices dapplication 115

    Chapitre 5. Application des donnes thermodynamiques et de la cintique 117

    5.1 Donnes thermodynamiques 117

    5.2 Enthalpie libre de raction, potentiel chimique et quilibre chimique 117

    5.3 Calcul des constantes dquilibre dautres tempratures et pressions 122

    5.4 Cintique Introduction 124

    5.5 Ractions lmentaires 128

    5.6 Thorie de ltat de transition ; le complexe activ 135

    5.7 tude dun cas : hydratation de CO2 137

    5.8 Exemple : Cintique dabsorption de CO2 ; change gazeux entre latmosphre et leau 139

    Exercices dapplication 142

    Chapitre 6. Mtaux en solution aqueuse 145

    6.1 Introduction 145

    6.2 La chimie de coordination et sa signification pour la spciation des ions mtalliques dans les eaux naturelles 146

    6.3 Calculs dquilibre de la complexation des mtaux 152

    6.4 Modles simples pour la spciation des mtaux dans les eaux naturelles 160

    6.5 Complexation avec les acides humiques et fulviques 163

    6.6 Formation de complexes avec des collodes et particules 168

    6.7 Solubilit des mtaux 168

    6.8 Cintique de la complexation 169

  • Table des matires

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    6.9 Spciation et dtermination analytique 172

    6.10 Interactions des mtaux avec les algues 174

    Exercices dapplication 180

    Chapitre 7. Prcipitation et dissolution ; activit des phases solides 183

    7.1 Introduction : prcipitation et dissolution des phases solides en tant que mcanisme de rgulation de la composition des eaux naturelles 183

    7.2 quilibres de solubilit des hydroxydes 186

    7.3 Solubilit des carbonates 188

    7.4 Solubilit des sulfures 192

    7.5 Solubilit de SiO2 et des silicates 193

    7.6 Influence de la temprature, de la force ionique, de la pression et de la taille des particules sur la solubilit 198

    7.7 Quelle phase solide contrle la solubilit ? 199

    7.8 Les phases solides sont-elles en quilibre de solubilit ? 207

    7.9 Cintique de germination et de dissolution dune phase solide 210

    Exercices dapplication 214

    Chapitre 8. Ractions doxydorduction 216

    8.1 Introduction 216

    8.2 Dfinitions Oxydation et rduction 217

    8.3 Le cycle global des lectrons (photosynthse, respiration) 218

    8.4 quilibre doxydorduction et intensit doxydorduction 221

    8.5 Calculs simples des quilibres doxydorduction 225

    8.6 Ractions doxydorduction catalyses par des microorganismes 232

    8.7 Cintique des processus doxydorduction 238

    8.8 Oxydation par loxygne 250

    8.9 Ractions photochimiques doxydorduction 254

    8.10 Mesure du potentiel doxydorduction dans les eaux naturelles 260

    8.11 lectrode de verre ; lectrodes ioniques spcifiques 264

    8.12 Utilisation doxydants pour la dsinfection de leau 265

    Exercices dapplication 269

    Chapitre 9. Chimie aux interfaces 273

    9.1 Introduction 273

    9.2 Particules dans les eaux naturelles 274

    9.3 Interactions linterface solide-eau 276

    9.4 Sorption partir de la solution 278

    9.5 Surfaces doxydes 282

  • Table des matires

    VI

    9.6 Charge lectrique de surface 288

    9.7 Minraux argileux - change dions 294

    9.8 Spectroscopie molculaire despces chimiques adsorbes 300

    9.9 Chimie de surface et ractivit ; cintique de dissolution et formation de phases solides 303

    9.10 Stabilit des collodes 313

    9.11 Sorption des composs hydrophobes 317

    9.12 Nanoparticules manufactures 319

    9.13 Conclusions et limites 320

    Exercices dapplication 322

    Chapitre 10. Traitement de leau ; applications des processus aux interfaces 329

    10.1 Introduction 329

    10.2 Floculation, coagulation 330

    10.3 Filtration 338

    10.4 Flottation 345

    10.5 Adsorption sur charbon actif 345

    10.6 Corrosion des mtaux : processus lectrochimiques 347

    Chapitre 11. Les eaux souterraines : cas du transport ractif 353

    11.1 Introduction 353

    11.2 Mcanismes physico-chimiques influenant le transport des mtaux 357

    11.3 Considrations hydrodynamiques 363

    11.4 Lien entre le terme de sorption et la concentration en solution ? 368

    11.5 Modlisation du transport ractif de soluts en traces : couplage chimie-transport 383

    11.6 Cintique de transfert de matire entre les phases liquide et solide 387

    11.7 Exemple de migration de micropolluants mtalliques 391

    11.8 Transport de collodes 403

    Exercices dapplication 406

    Appendice 410

    Chapitre 12. Cycles biogochimiques des lments dans les milieux aquatiques 411

    12.1 Rpartition de substances dans lenvironnement 411

    12.2 Rgulation biologique de la composition des eaux naturelles 412

    12.3 Cycle du carbone 413

    12.4 Cycle biogochimique du phosphore 420

    12.5 Cycle de lazote ; problmes causs par les composs de lazote 421

    12.6 Cycle global du soufre 428

  • Table des matires

    VII

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    12.7 Cycles dlments traces mtalliques dans les eaux 429

    12.8 Illustration du cycle biogochimique dun lment trace volatil : le mercure 436

    12.9 Composs xnobiotiques dans les milieux aquatiques 440

    12.10 Processus biogochimiques dans les lacs 452

    12.11 Processus biogochimiques dans les rivires 461

    Exercices dapplication 471

    Solutions numriques des exercices 473

    Annexe 1 480

    Annexe 2 481

    Rfrences bibliographiques 487

    Index 497

  • IX

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    Prface

    Je suis ravi de voir enfin paratre la nouvelle dition de ce livre. En effet, la chimie des milieux aquatiques est un sujet qui aurait d retenir depuis longtemps toutes nos proccupations du fait de son impact tant motionnel quenvironnemental et cologique, ainsi que des changes constants entre les terres o nous vivons, latmosphre et les mers, les ocans et les lacs. Il est toujours surprenant de constater que, parvenue au XXIesicle, lhumanit connat aujourdhui bien mieux les territoires extrmes de notre globe, la Lune ou mme Mars, que ces grandes et petites tendues deau qui conditionnent pourtant notre vie et le futur de notre plante.

    Cette remarque est dautant plus vraie lorsque la chimie des milieux aquatiques concerne plus particulirement les changes chimiques si particuliers qui sy droulent tant en milieux aqueux proprement dits qu leurs nombreuses interfaces solide-liquide dont chacune a ses proprits propres lies leur composition gologique et aux flux de matires qui les alimentent et sous-tendent les transformations des espces chimiques aussi bien que lensemble des interactions avec le milieu vivant. Se retrouvent intgres dans cette chimie si particu-lire aussi bien la chimie des solutions dlectrolytes, la chimie de coordination, la chimie redox et la catalyse par les nanoparticules dissoutes ou disperses la surface de roches et de sdiments. Cela, sauf peut-tre le dernier point, est bien connu individuellement mais il est rare de voir leur ensemble trait comme le tout quil reprsente. De plus ces chimies, si essentielles un environnement