Chimie de lenvironnement

La chimie de lenvironnement constitue une jeune discipline au sein de la chimie[] Elle traite des ractions et effets des substances dans leau, lair et le sol et leurs impacts sur le

monde vivant (hommes, animaux, plantes et microorganismes) [] Lhistoire de lenvironnement et de sa chimie est avant tout lhistoire de sa pollution.

[].Lors des dbats de ces dernires annes, certains thmes ont jou un rle important comme le dprissement des forts , les pluies acides , le trou dozone , leffet de serre , les lments toxiques dans la nourriture .Une nouvelle prise de conscience de lenvironnement sest rpandue dans tous les domaines de la socit, de mme que dans le monde politique. Limportance quattribue le lgislateur la protection de lenvironnement se reflte entre autres dans le nombre dj important de lois et de rglements, qui ont t tablis dans ce cadre lors des trente dernires annes. Bliefert et Perraud

Chimie de lenvironnement Editions DeBoeck Universit

source : www.effet-de-serre.gouv.fr

Les pluies acides se forment lorsque les oxydes de soufre et d'azote s'associent l'humidit de l'air pour librer de l'acide sulfurique et de l'acide nitrique qui sont ensuite transports trs loin de leur source avant d'tre prcipits par les pluies. La pollution peut galement tre vhicule par la neige ou le brouillard, ou encore tre prcipite sous forme sche. En fait, bien que le terme de pluies acides soit utilis depuis plus d'un sicle il provient d'tudes atmosphriques effectues dans la rgion de Manchester en Angleterre , le terme scientifique le plus appropri devrait tre dpt acide, car la forme sche de ces prcipitations est tout aussi nfaste pour l'environnement que leur forme liquide.

Le problme des pluies acides trouve son origine dans la rvolution industrielle et n'a cess de crotre depuis lors. La gravit de leurs effets est reconnue depuis longtemps dans des contextes rgionaux illustrs par les priodes de smog acide dans les zones fortement industrialises. Toutefois, ce n'est qu'au cours des dernires dcennies que l'ampleur des dommages dus aux pluies acides est devenue manifeste. L'Europe du Nord est une rgion trs tendue qui a fait l'objet d'tudes pousses et o les pluies acides ont affect les difices, endommag les cultures et les forts et menac ou rduit la vie dans les lacs d'eau douce. En 1984, par exemple, des rapports sur l'environnement indiquaient que presque la moiti des arbres de la Fort-Noire avaient t endommags par les pluies acides. Le nord-est des tats-Unis et l'est du Canada ont t particulirement touchs par cette forme de pollution, et des dommages ont t relevs dans d'autres rgions du monde.

Ce sont les rejets industriels qui ont t accuss d'tre les principaux responsables des pluies acides. tant donn que les ractions chimiques entrant en jeu dans la formation des pluies acides dans l'atmosphre sont complexes et, ce jour, encore mal comprises, les industries ont cherch remettre en question ces affirmations et insister sur la ncessit d'tudes plus pousses ; et, compte tenu du cot de la lutte contre la pollution, les gouvernements ont eu tendance soutenir ce point de vue. Des tudes publies par le gouvernement des tats-Unis au dbut des annes quatre-vingt considraient pourtant clairement l'industrie comme le principal responsable des pluies acides dans l'est des tats-Unis et au Canada. En 1988, dans le cadre de la Convention des Nations unies concernant l'Accord sur la pollution atmosphrique transfrontalire longue distance (1979), vingt-cinq nations ont ratifi un protocole limitant les missions d'oxydes d'azote leur niveau de 1987. MSN ENCARTA

Cette anne encore, l'Agence spatiale europenne (ESA) suit de prs la croissance du trou de la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique. Le trou mesur en 2005 est important pour cette poque de l'anne, si l'on se base sur les rsultats de la dernire dcennie: seuls les trous rpertoris en 1996 et 2000 taient plus massifs ce stade de leur dveloppement. Le trou saisonnier de la couche d'ozone de l'Antarctique a cette anne enfl pour atteindre une superficie de dix millions de kilomtres carrs - soit peu prs la taille de l'Europe - et poursuit son expansion. Il devrait parvenir sa taille maximale courant septembre, et les satellites de l'ESA seront leur poste pour surveiller son dveloppement. La couche d'ozone stratosphrique qui protge la vie terrestre du rayonnement ultraviolet (UV) nocif est vulnrable la prsence de certaines substances chimiques dans l'atmosphre, comme le chlore, engendr par des polluants dus l'activit humaine, tels que les chlorofluorocarbones (CFC). Dsormais bannis en vertu du Protocole de Montral, les CFC taient jadis utiliss dans les bombes arosols et les rfrigrateurs. Les CFC eux-mmes sont des molcules inertes, mais le rayonnement ultraviolet de la haute atmosphre les dcompose en leurs constituants, qui peuvent ragir fortement avec l'ozone. www.futura-sciences.com

Polluants de leau : les sels (chlorures, sulfates,)

les composs de lazote et du phosphore ( ions nitrate NO3- et ions (hydrogno)phosphate H2PO4

-, HPO4

2-, PO4

3- essentiellement) car ce sont des

lments nutritifs des algues et autres vgtaux et prsents en excs ils entranent leur dveloppement trop rapide. Cest leutrophisation. En consquence la lumire pntre moins dans les couches profondes, la photosynthse est donc rduite, il y a moins doxygne produit, les algues meurent, tombent dans les couches profondes, il y a consommation supplmentaire doxygne lors de leur dcomposition. Quand la teneur en oxygne devient trop faible, les organismes suprieurs (par exemple les poissons) meurent.

les mtaux lourds (mercure, plomb, nickel, cadmium,) soit sous forme dissoute soit dans les sdiments en suspension dans les cours deau

Documents :

Maladies lies aux mtaux lourds : Pb : saturnisme Hg : hydrargyrisme

Quelques catastrophes industrielles :

1956 : Minamata : au Japon plus de 100 cas mortels et plusieurs milliers de personnes soufrant dune maladie du systme nerveux (troubles de lquilibre, de la vue, apathie) aprs une intoxication au mercure rejet par une unit de fabrication dthanal (chlorure de mthylmercure utilis comme catalyseur)

1976 : un racteur explose en Italie Seveso dans une usine du groupe Givaudan-Hoffman-Laroche produisant des herbicides. Un nuage de dioxine, produit cancrigne se rpand sur la rgion.

1984 : Bhopal en Inde, une fuite disocyanate de mthyl se produit dans une usine Union Carbide fabricant des pesticides .Presque 4000 morts et plusieurs centaines de milliers de personnes touches (insuffisances respiratoires,ccit temporaire ou dfinitive, )

Bibiographie : EcoloChimie .Editions Culture et Sciences Chimie de lEnvironnement DeBoeck Universit

TP : analyse des eaux

A- Dtermination de la teneur en ions nitrate dans une eau

La principale source de pollution par les ions nitrate est lutilisation dengrais par les agriculteurs (apport direct sous forme de nitrate dammonium NO3NH4 soluble par exemple ou indirectement dans les purins et fumiers). En raison de leur grande solubilit dans leau, ils sont facilement lessivs lors des pluies en direction des nappes phratiques et cours deau. Une autre source de nitrate rsulte des missions azotes des automobiles et des units industrielles qui rejettent des oxydes dazote NOx qui se retrouvent sous forme de nitrate dans les sols aprs les pluies.

Principe : La teneur en nitrate est dtermine par spectrophotomtrie aprs rduction en ion nitrite et coloration de ceux-ci grce un ractif et comparaison avec une solution talon de concentration parfaitement connue

1. Leau analyser a t passe sur une colonne contenant du cadmium. Tous les ions nitrates ont t rduits en nitrite et le cadmium mtallique oxyd en ion Cd

2+.

Ecrire les demi-quations redox des couples NO3-/NO2

- et Cd

2+/Cd puis lquation

bilan de la raction du cadmium sur les ions nitrates. Soit P1 la solution obtenue aprs passage sur colonne de cadmium. Cest P1 qui est fournie pour ce TP. On appelle C1 sa concentration en ion nitrite.

Manipulation : Dans une fiole jauge de 50,0 mL, introduire un volume V = 5 mL de solution P1, et complter au trait de jauge avec le ractif R qui ragit avec les ions nitrite pour donner une coloration rose. Soit P1 la solution obtenue.

Dans une fiole jauge de 50,0 mL, introduire un volume V = 5 mL de solution E, solution talon de nitrite de concentration parfaitement connue Ce = 10,0 mg/L et complter au trait de jauge avec le ractif R Soit E la solution obtenue.

Laisser reposer 15 minutes

Prparer trois cuves spectrophotomtriques : lune contenant du ractif R et qui servira faire le zro du spectrophotomtre puisque ne contenant pas dions nitrite, une autre la solution E et la dernire la solution P1.

Mesurer les absorbances Ae et A1 des deux solutions E et P1 525 nm.

E

P1

Absorbance A

Exploitation des rsultats :

2. Quelle relation existe-t-il entre la concentration C1 en ion nitrites dans P1 et C1 ?

3. Quelle relation existe-t-il entre la concentration CE en ion nitrites dans E et CE ?

4. Quelle relation existe-t-il entre labsorbance AE et CE ?

5. Quelle relation existe-t-il entre labsorbance A1 et C1 ?

6. Etablir la relation permettant de calculer C1 partir de CE, AE et A1.

7. Application numrique. La concentration massique maximale en ions nitrate dans une eau destine la consommation humaine ne doit pas dpasse 50 mg/L. Leau analyse est conforme (M N = 14g/mol, M O = 16g /mol)?

8. A quelle couleur correspond la longueur donde 525 nm choisie pour faire la mesure ? Est-ce en accord avec la couleur rose observe ?

B- Dtermination de la teneur en oxygne dissous dune eau P2 La plupart des animaux et des organismes vivant dans leau ne peuvent pas survivre sans la prsence de loxygne dissous. La concentration minimale concernant les poissons (valeur critique) est 4 mg/L. On a des valeurs plus basses pour les bactries plus rsistantes que les poissons. La teneur en oxygne dissous peut tre mesure par mthode lectrochimique grce un oxymtre. Une autre mthode colorimtrique est propose : la mthode de Winkler.

Manipulation : Peser un erlen rod avec son bouchon.

Remplir ras bord l'erlen et le boucher. Scher l'extrieur et repeser. En dduire le volume

d'eau V que contient l'erlen On prendra la masse volumique de l'eau g =1 g/mL

En mettant des gants et des lunettes de scurit, remplir ras bord l'erlen avec l'eau tudier (eau stagnante)

Rajouter environ 2 g de chlorure manganeux MnCl2 solide puis 3 pastilles de soude NaOH puis reboucher l'erlen en vous plaant au-dessus de l'vier.(Cela dborde un peu c'est normal !)

Agiter vigoureusement de temps en temps en maintenant fermement le bouchon et ceci pendant 10 minutes.

Ajouter alors 15 gouttes d'acide sulfurique concentr .Reboucher et agiter nouveau pour homogniser. Vrifier au papier pH que pH< 2.

Ajouter alors environ 3 g d'iodure de potassium KI solide. Introduire un barreau aimant et homogniser.

Transvaser la totalit de cette solution dans un bcher de 500 mL. Ajouter quelques gouttes d'empois d'amidon et doser par une solution de thiosulfate Ct = 0,0200 mol/L. Soit Vt le volume obtenu.

Principe et exploitation des rsultats : Le diagramme fourni correspond au pouvoir oxydant E des couples O2/H2O, I2/I

-

Mn(OH)3/Mn(OH)2, Mn(OH)3/Mn2+

, Mn3+

/Mn2+

en fonction du pH. Pour qu'un oxydant 1 ragisse sur un rducteur 2 d'un autre couple il faut que E1 >E2.

1. Dans un volume V d'eau contenant de l'oxygne dissous,on mlange des ions Mn2+ avec des ions hydroxydes HO

-. Les ions manganeux Mn

2+ prcipitent sous forme

d'hydroxyde Mn(OH)2. Ecrire l'quation de raction correspondante.

2. A pH = 13, le manganse dans l'eau est sous la forme Mn(OH)2.Vrifier laide du diagramme que l'oxygne dissous dans l'eau peut oxyder Mn(OH)2 en Mn(OH)3

3. Ecrire la demi-quation redox du couple O2/H2O .

4. Ecrire la demi-quation rdox du couple Mn(OH)3/Mn(OH)2

5. Ecrire l'quation bilan de l'oxydation de Mn(OH)2 par O2 dissous

6. Si on se place ensuite en milieu acide vers pH = 2, Mn(OH)3 est transform en Mn

3+ sous l'action des ions oxonium. Ecrire l'quation de raction

7. Montrer que Mn3+ form peut oxyder I- en I2 .en tant transform lui-mme en Mn

2+.

8. Ecrire la demi-quation redox du couple I2/I-

9. Ecrire la demi-quation redox du couple Mn3+/Mn2+

10. Ecrire l'quation bilan de l'oxydation de I- par Mn3+

11. Le manganse est introduit en excs par rapport l'oxygne prsent dans la

solution. Quelle relation peut-on alors crire entre la quantit de matire de Mn(OH)3 form et nO2 prsent au dpart.

12. Quelle est la relation entre la quantit de matire de Mn3+ forme aprs introduction de l'acide sulfurique en excs et la quantit de matire de Mn(OH)3.

13. I- est introduit en excs par rapport Mn3+ prsent. Quelle est alors la relation entre la quantit de diiode form et la quantit de dioxygne du dpart.

14. On dose alors le diiode form par colorimtrie par le thiosulfate de sodium. Ecrire la demi-quation redox du couple S406

2-/S2O3

2-

15. Ecrire l'quation bilan de la raction de dosage.

16. Quelle est la relation entre la quantit de matire de I2 dose et de la quantit de matire de thiosulfate ajoute l'quivalence.

17. En dduire une relation entre le volume quivalent Vt, la concentration en thiosulfate Ct et la quantit de matire de dioxygne dissous prsent dans le volume V d'eau du dpart

18. Quelle la concentration massique en mg de dioxygne /L de l'eau de dpart sachant que M(O2) = 32g/mol. A quelle classe de qualit appartient leau analyse ? (voir tableau fourni)

C- Dtermination de la quantit de plomb dissous dans une eau pollue P3

Lautomobile est globalement une des principales sources dmission de plomb. Ne serait-ce que en RFA, depuis les annes 1950, environ 200 000 t de plomb ont t mises par les moteurs combustion utilisant de lessence avec plomb (sous forme de Pb(C2H5)4, plomb ttrathyl utilis comme antidtonnant). Si on supposait une rpartition gale de cette pollution sur tout le territoire de la RFA, cela correspondrait une pollution de 1g de plomb par m

2.

Heureusement depuis 1990, les missions de plomb dans latmosphre ont fortement chut grce la diminution puis linterdiction en janvier 2000 de la vente dessence au plomb. La concentration en plomb dans le sang humain a corrlativement baiss de faon significative. Rq : de plus en plus on utilise comme antidtonant le MTBE t-butylmthylther (C(CH3)3OCH3) La teneur en plomb est gnralement dtermine par spectrophotomtrie dabsorption atomique par comparaison une solution de concentration connue. On se propose de la dterminer par complexomtrie (colorimtrie)

Principe : Les ions Pb

2+ sont doss par une solution de sel disodique de lacide thylne diamine

ttraactique (EDTA) not pour simplifier 2Na+, H2Y

2-.

H2Y2-

:

N

CH2

CH2

N

CH2

H2C

H2C

H2C

COO-

COOH

COOH

COO-

Lquation de raction de dosage scrit : Pb

2+ + H2Y

2- = PbY

2- + 2 H

+

PbY2-

: incolore appel ion complexe Pb

2+ : incolore

H2Y2-

: incolore appel ligand La raction est totale pH = 5,5 Pour visualiser la fin du dosage, on utilise un indicateur color, lorang de xylnol, quon notera pour simplifier H2In

2- (jaune)

Lui mme forme un ion complexe avec le plomb mais moins stable que PbY2-

. Quand on introduit un peu dindicateur dans le milieu contenant Pb

2+, il se forme un peu de

PbIn2-

(rose) suivant : Pb

2+ + H2In

2- = PbIn

2- + 2 H

+

Puis on dose les ions Pb2+

non complexs par lEDTA. A lapproche de lquivalence, il ny a plus de Pb

2+ non complexs, lEDTA dtruit alors le

complexe peu stable PbIn2-

suivant : PbIn

2- + H2Y

2- = PbY

2- + H2In

2- Le milieu passe donc du rose au jaune lquivalence.

rose incolore incolore jaune

Manipulation : Prlever l'aide d'une fiole jauge V3 = 250 mL d'une eau pollue P3

Transvaser le tout dans un bcher de 500 mL (donc bien rincer la fiole jauge et

rcuprer les eaux de rinage pour les doser aussi !)

ajouter 100 mL de solution tampon pH= 5,2

Ajouter une pointe de spatule d'indicateur color, l'orang de xylnol, jusqu' avoir une coloration rouge franc.

Doser par une solution d'EDTA de concentration CEDTA = 0,0200 mol.L-1

. L'quivalence est repre par le virage du rouge -orang au jaune paille. Soit VEDTA le volume vers.

Exploitation des rsultats : 1. Etablir la relation permettant de calculer CPb, la concentration molaire en plomb dans P3

partir de CEDTA , VEDTA et V3.

2. Calculer la concentration massique en plomb sachant que M(Pb) = 207,2 g.mol-1.Cette eau est-elle potable ?

Matire duvre :

Matriel commun : balances 0,1 g prs spectrophotomtre Dosage des nitrites :

Prparer une solution 1g/L de nitrite (1,5 g de NaNO2 dans 1L) et la diluer 100 fois au dernier moment ( 10 mL dans 1 L ). Noter E la solution et indiquer Ce = 10,0 mg/L sur la bouteille

Prlever environ 8 mL de la solution 1g/L de nitrite et complter environ 1L Noter P1 sur la bouteille

Ractif spcifique des nitrites : 140 mL dacide thanoque+ 80 mg de N-(1-naphtyl)-thylne diamine + 5g dacide sulfanilique + complter 1L avec de leau distille. Peut se prparer quelques jours lavance. Winkler

de leau du robinet tire depuis quelques heures et laisse lair libre. Noter P2 sur la bouteille

chlorure manganeux MnCl2 solide pastille de soude KI solide solution de thiosulfate 0,02 mol/L. Noter Thiosulfate Na2S2O3 0,0200 mol/L sur la bouteille Dosage du plomb

solution de Pb(NO3)2 0.001 mol/L solution dEDTA 0,02 mol/L tampon 5,2

Matriel par poste : gants, lunettes eau distille trois cuves spectro deux fioles de 50 mL 1 fiole jauge de 250 mL deux pipettes de 5 mL pipeton burette+aimant+agitateur 1 burette 1 pot de yaourt 2 bchers de 150 mL papier pH + agitateur en verre

2 capsules de pese + spatule 1 erlen rod de 250 mL avec son bouchon

2 bchers de 500 mL compte-gouttes de H2SO4 concentr pilulier dorang de xylnol en trituration

prouvette de 100 mL empois damidon en compte-gouttes

Correction

TP : analyse des eaux

A Dtermination de la teneur en ions nitrate dans une eau 1. Leau analyser a t passe sur une colonne contenant du cadmium. Tous les ions

nitrates ont t rduits en nitrite et le cadmium mtallique oxyd en ion Cd2+

. Ecrire les demi-quations redox des couples NO3

-/NO2

- et Cd

2+/Cd puis lquation

bilan de la raction du cadmium sur les ions nitrates. Cd = Cd

2+ + 2e-

2e- + 2H+ + NO3

- = NO2

- + H2O

Cd +2H+

+ NO3- = NO2

- + H2O + Cd

2+

2. Quelle relation existe-t-il entre la concentration C1 en ion nitrites dans P1 et C1 ? C1 = C1/10

3. Quelle relation existe-t-il entre la concentration CE en ion nitrites dans E et CE ? CE = CE/10

4. Quelle relation existe-t-il entre labsorbance AE et CE ? AE = k CE

5. Quelle relation existe-t-il entre labsorbance A1 et C1 ? A1 = k C1

6. Etablir la relation permettant de calculer C1 partir de CE, AE et A1. AE = CE .A1/C1

7. Application numrique. La concentration massique maximale en ions nitrate dans une eau destine la consommation humaine ne doit pas dpasse 50 mg/L. Leau analyse est conforme (M N = 14g/mol, M O = 16g /mol)? Cm = M NO3

- .C1

8. A quelle couleur correspond la longueur donde 525 nm choisie pour faire la mesure ? Est-ce en accord avec la couleur rose observe ?

B Dtermination de la teneur en oxygne dissous dune eau P2 Le diagramme fourni correspond au pouvoir oxydant E des couples O2/H2O en fonction du pH. Pour qu'un oxydant 1 ragisse sur un rducteur 2 d'un autre couple il faut que E1 >E2.

1. Dans un volume V d'eau contenant de l'oxygne dissous,on mlange des ions Mn2+ avec des ions hydroxydes HO

-. Les ions manganeux Mn

2+ prcipitent sous forme

d'hydroxyde Mn(OH)2. Ecrire l'quation de raction correspondante.

Mn

2+ + HO

- = Mn(OH)2

2. A pH = 13, le manganse dans l'eau est sous la forme Mn(OH)2.Vrifier laide du diagramme que l'oxygne dissous dans l'eau peut oxyder Mn(OH)2 en Mn(OH)3

3. Ecrire la demi-quation redox du couple O2/H2O.

O2 + 4e- + 4H

+ = 2 H2O

4. Ecrire la demi-quation rdox du couple Mn(OH)3/Mn(OH)2 .

Mn(OH)3 + e- + H

+ = Mn(OH)2 + H2O

5. Ecrire l'quation bilan de l'oxydation de Mn(OH)2 par O2 dissous

O2 + 2 H2O + 4Mn(OH)2 = 4Mn(OH)3

6. Si on se place ensuite en milieu acide vers pH = 2., Mn(OH)3 est transform en Mn

3+ sous l'action des ions oxonium. Ecrire l'quation de raction

Mn(OH)3 + 3H

+ = Mn

3+ + 3H2O

7. Montrer que Mn3+ form peut oxyder I- en I2 .en tant transform lui-mme en Mn

2+sachant que E Mn

3+/ Mn

2+= 1.51V et E I2/ I

- = 0.62V

E Mn

3+/ Mn

2+ suprieur E I2/ I

-

8. Ecrire la demi-quation redox du couple I2/I-

I2 + 2e- = 2I-

9. Ecrire la demi-quation redox du couple Mn3+/Mn2+

Mn

3+ + e- = Mn

2+

10. Ecrire l'quation bilan de l'oxydation de I- par Mn3+

2 Mn

3+ +2I

- = 2Mn

2+ + I2

11. Le manganse est introduit en excs par rapport l'oxygne prsent dans la

solution. Quelle relation peut-on alors crire entre la quantit de matire de Mn(OH)3 form et nO2 prsent au dpart. 4nO2 = n Mn(OH)3

12.Quelle est la relation entre la quantit de matire de Mn3+

forme aprs introduction de l'acide sulfurique en excs et la quantit de matire de Mn(OH)3.

n Mn3+

= n Mn(OH)3

13.I- est introduit en excs par rapport Mn

3+ prsent. Quelle est alors la relation entre

la quantit de diiode form et la quantit de dioxygne du dpart. nI2 = 2nO2 14.On dose alors le diiode form par colorimtrie par le thiosulfate de sodium. Ecrire la demi-quation redox du couple S406

2-/S2O3

2-

S406

2- +2e- = 2S2O3

2-

15.Ecrire l'quation bilan de la raction de dosage. 2S2O3

2- + I2 = S406

2- + 2I

-

16.Quelle est la relation entre la quantit de matire de I2 dose et de la quantit de matire de thiosulfate ajoute l'quivalence. 2nI2 = n S2O3

2-

17.En dduire une relation entre le volume quivalent Vt, la concentration en thiosulfate Ct et la quantit de matire de dioxygne dissous prsent dans le volume V d'eau du dpart nO2 = CtVt/4 18.Quelle la concentration massique en mg de dioxygne /L de l'eau de dpart sachant que M(O2) = 32g/mol. A quelle classe de qualit appartient leau analyse ? (voir tableau fourni)

Cm = M(O2) CtVt/ (4V)

C Dtermination de la quantit de plomb dissous dans une eau pollue P3

1. Etablir la relation permettant de calculer CPb, la concentration molaire en plomb

dans P3 partir de CEDTA , VEDTA et V3. CEDTA VEDTA= CPb V3 VEDTA =8,60 mL

2. Calculer la concentration massique en plomb sachant que M(Pb) = 207,2 g.mol-1. Cette eau est-elle potable ?

CmPb = M(Pb) CEDTA VEDTA/V3 =207,2*0,0200*8,60/250 =0,142 g/L >> 10g/L non potable