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5e édition Laura Sigg Philippe Behra Werner Stumm Chimie des milieux aquatiques

5e édition Laura Sigg Philippe Behra Werner Stumm Chimie des milieux aquatiques © Dunod, Paris, 2000, 2006, 2014 Masson, Paris, 1994, pour la 2e édition ISBN 978-2-10-058801-5 Retrouvez les compléments en ligne de l’ouvrage sur www.dunod.com/contenuscomplementaires/9782100588015 Illustration de couverture : Canal du Midi © Philippe Behra III © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. Table des matières Préface 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 l’eau 2 1.3 Les processus d’altération 4 1.4 Interaction entre les organismes et l’eau 4 1.5 Processus chimiques et composition des eaux 7 1.6 L’eau et ses propriétés particulières 12 Exercices d’application 17 Chapitre 2. Acides et bases 23 2.1 Introduction 23 2.2 Théorie acide-base 24 2.3 La force d’un acide ou d’une base 25 2.4 Concentrations des acides et des bases en fonction du pH 27 2.5 Les calculs d’équilibre 29 2.6 pH en tant que variable principale ; diagramme log-log pour la représentation et la solution des problèmes d’équilibre 35 2.7 Courbes de titrage acide-base 43 2.8 La capacité de neutralisation d’un acide et d’une base 46 2.9 Convention de pH et d’activité 47 2.10 Précipitations atmosphériques acides 51 Exercices d’application 56 Table des matières IV Chapitre 3. Équilibres des carbonates 58 3.1 Introduction 58 3.2 Systèmes des carbonates ouvert et fermé ; modèles pour les eaux naturelles 60 3.3 Alcalinité et acidité 73 3.4 Le pouvoir tampon du système carbonaté 79 3.5 Dosage analytique de l’alcalinité et de l’acidité 80 Exercices d’application 85 Chapitre 4. Interactions eau – atmosphère 88 4.1 Introduction 88 4.2 Équilibres gaz-eau ; signification pour la chimie des nuages, des pluies et des brouillards 89 4.3 La genèse d’une gouttelette de brouillard 104 4.4 Aérosols 106 4.5 Acidification et restauration des eaux de surface 108 Exercices d’application 115 Chapitre 5. Application des données thermodynamiques et de la cinétique 117 5.1 Données thermodynamiques 117 5.2 Enthalpie libre de réaction, potentiel chimique et équilibre chimique 117 5.3 Calcul des constantes d’équilibre à d’autres températures et pressions 122 5.4 Cinétique – Introduction 124 5.5 Réactions élémentaires 128 5.6 Théorie de l’état de transition ; le complexe activé 135 5.7 Étude d’un cas : hydratation de CO2 137 5.8 Exemple : Cinétique d’absorption de CO2 ; échange gazeux entre l’atmosphère et l’eau 139 Exercices d’application 142 Chapitre 6. Métaux en solution aqueuse 145 6.1 Introduction 145 6.2 La chimie de coordination et sa signification pour la spéciation des ions métalliques dans les eaux naturelles 146 6.3 Calculs d’équilibre de la complexation des métaux 152 6.4 Modèles simples pour la spéciation des métaux dans les eaux naturelles 160 6.5 Complexation avec les acides humiques et fulviques 163 6.6 Formation de complexes avec des colloïdes et particules 168 6.7 Solubilité des métaux 168 6.8 Cinétique de la complexation 169 Table des matières V © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. 6.9 Spéciation et détermination analytique 172 6.10 Interactions des métaux avec les algues 174 Exercices d’application 180 Chapitre 7. Précipitation et dissolution ; activité des phases solides 183 7.1 Introduction : précipitation et dissolution des phases solides en tant que mécanisme de régulation de la composition des eaux naturelles 183 7.2 Équilibres de solubilité des hydroxydes 186 7.3 Solubilité des carbonates 188 7.4 Solubilité des sulfures 192 7.5 Solubilité de SiO2 et des silicates 193 7.6 Influence de la température, de la force ionique, de la pression et de la taille des particules sur la solubilité 198 7.7 Quelle phase solide contrôle la solubilité ? 199 7.8 Les phases solides sont-elles en équilibre de solubilité ? 207 7.9 Cinétique de germination et de dissolution d’une phase solide 210 Exercices d’application 214 Chapitre 8. Réactions d’oxydoréduction 216 8.1 Introduction 216 8.2 Définitions – Oxydation et réduction 217 8.3 Le cycle global des électrons (photosynthèse, respiration) 218 8.4 Équilibre d’oxydoréduction et intensité d’oxydoréduction 221 8.5 Calculs simples des équilibres d’oxydoréduction 225 8.6 Réactions d’oxydoréduction catalysées par des microorganismes 232 8.7 Cinétique des processus d’oxydoréduction 238 8.8 Oxydation par l’oxygène 250 8.9 Réactions photochimiques d’oxydoréduction 254 8.10 Mesure du potentiel d’oxydoréduction dans les eaux naturelles 260 8.11 Électrode de verre ; électrodes ioniques spécifiques 264 8.12 Utilisation d’oxydants pour la désinfection de l’eau 265 Exercices d’application 269 Chapitre 9. Chimie aux interfaces 273 9.1 Introduction 273 9.2 Particules dans les eaux naturelles 274 9.3 Interactions à l’interface solide-eau 276 9.4 Sorption à partir de la solution 278 9.5 Surfaces d’oxydes 282 Table des matières VI 9.6 Charge électrique de surface 288 9.7 Minéraux argileux - Échange d’ions 294 9.8 Spectroscopie moléculaire d’espèces chimiques adsorbées 300 9.9 Chimie de surface et réactivité ; cinétique de dissolution et formation de phases solides 303 9.10 Stabilité des colloïdes 313 9.11 Sorption des composés hydrophobes 317 9.12 Nanoparticules manufacturées 319 9.13 Conclusions et limites 320 Exercices d’application 322 Chapitre 10. Traitement de l’eau ; 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 métaux : processus électrochimiques 347 Chapitre 11. Les eaux souterraines : cas du transport réactif 353 11.1 Introduction 353 11.2 Mécanismes physico-chimiques influençant le transport des métaux 357 11.3 Considérations hydrodynamiques 363 11.4 Lien entre le terme de sorption et la concentration en solution ? 368 11.5 Modélisation du transport réactif de solutés en traces : couplage chimie-transport 383 11.6 Cinétique de transfert de matière entre les phases liquide et solide 387 11.7 Exemple de migration de micropolluants métalliques 391 11.8 Transport de colloïdes 403 Exercices d’application 406 Appendice 410 Chapitre 12. Cycles biogéochimiques des éléments dans les milieux aquatiques 411 12.1 Répartition de substances dans l’environnement 411 12.2 Régulation biologique de la composition des eaux naturelles 412 12.3 Cycle du carbone 413 12.4 Cycle biogéochimique du phosphore 420 12.5 Cycle de l’azote ; problèmes causés par les composés de l’azote 421 12.6 Cycle global du soufre 428 Table des matières VII © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. 12.7 Cycles d’éléments traces métalliques dans les eaux 429 12.8 Illustration du cycle biogéochimique d’un élément trace volatil : le mercure 436 12.9 Composés xénobiotiques dans les milieux aquatiques 440 12.10 Processus biogéochimiques dans les lacs 452 12.11 Processus biogéochimiques dans les rivières 461 Exercices d’application 471 Solutions numériques des exercices 473 Annexe 1 480 Annexe 2 481 Références bibliographiques 487 Index 497 IX © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. Préface Je suis ravi de voir enfin paraître la nouvelle édition de ce livre. En effet, la chimie des milieux aquatiques est un sujet qui aurait dû retenir depuis longtemps toutes nos préoccupations du fait de son impact tant émotionnel qu’environnemental et écologique, ainsi que des échanges constants entre les terres où nous vivons, l’atmosphère et les mers, les océans et les lacs. Il est toujours surprenant de constater que, parvenue au XXIe siècle, l’humanité connaît aujourd’hui bien mieux les territoires extrêmes de notre globe, la Lune ou même Mars, que ces grandes et petites étendues d’eau qui conditionnent pourtant notre vie et le futur de notre planète. Cette remarque est d’autant plus vraie lorsque la chimie des milieux aquatiques concerne plus particulièrement les échanges chimiques si particuliers qui s’y déroulent tant en milieux aqueux proprement dits qu’à leurs nombreuses interfaces solide-liquide dont chacune a ses propriétés propres liées à leur composition géologique et aux flux de matières qui les alimentent et sous-tendent les transformations des espèces chimiques aussi bien que l’ensemble des interactions avec le milieu vivant. Se retrouvent intégrées dans cette chimie si particu- lière aussi bien la chimie des solutions d’électrolytes, la chimie de coordination, la chimie redox et la catalyse par les nanoparticules dissoutes ou dispersées à la surface de roches et de sédiments. Cela, sauf peut-être le dernier point, est bien connu individuellement mais il est rare de voir leur ensemble traité comme le tout qu’il représente. De plus ces « chimies », si essentielles à un environnement majeur de notre planète, sont finement intégrées, retravaillées et décuplées par la chimie du vivant opérée à chaque instant, selon des processus bien moins compris, non seulement par des animaux et des plantes bien identifiés aujourd’hui mais aussi par les myriades de microorganismes qui restent encore à découvrir. Si la chimie analytique est une discipline indispensable, elle n’en est pas pour autant la seule discipline physico- chimique indispensable pour ce faire. La thermodynamique, la cinétique, la physico-chimie dynamique sont des outils tout aussi puissants et essentiels pour découvrir et appréhender toute la complexité de ce domaine majeur que sont les milieux aquatiques pour l’humanité. Comment en effet maîtriser les impacts anthropomorphiques de nos économies débri- dées et souvent irresponsables sur ces environnements et écosystèmes si délicats sans connaître, mesurer, et comprendre les réactivités synergiques et intriquées ? En effet, toutes ces « chimies » interagissent souvent via des espèces chimiques essentielles mais présentes uniquement à l’état de traces soit du fait d’états stationnaires dus à uploads/Finance/ chimie-des-milieux-aquatiques.pdf