Hydrochimie - Définition

Introduction

L'hydrochimie étudie les processus chimiques qui affectent la distribution et la circulation des composés chimiques des eaux. Pour cela l'hydrochimie se sert essentiellement de la chimie (thermodynamique, acides-bases, précipitations-dissolutions, oxydation-réduction, interactions entre différentes phases, etc.), mais aussi de la biologie et de la géologie. Elle met en place des modèles propres tels les modèles de la dissolution du dioxyde de carbone, la précipitation et la dissolution des minéraux (oxydes, dioxydes, carbonates, etc.), la spéciation des métaux, les intéraction solides-liquides. On peut également ranger dans l'hydrochimie les techniques et protocoles d'échantillonnage des eaux, l'étude de la pollution des milieux aquatiques et de nombreuses autres applications qui sont devenues des sciences à part entière au vu de leur complexité.

Applications

L'hydrochimie rencontre de nombreuses applications :

• l'origine d'une eau, de sa qualité
• le suivi de la qualité de l'eau (respect des normes)
• la détermination des flux par traçage naturel (étude des solutés et/ou des isotopes) ou artificiels (suite à l'injection de traceurs comme la rhodamine, etc.);
• la prospection minière (étude des métaux marqueurs des gisements traversés par l'eau).
• l'étude du cycle de l'eau et la paléoclimatologie (notamment par l'étude de la teneur en isotopes).

Classification hydrochimique des éléments et paramètres utilisés

Eléments

• Majeurs :
  • Anions : HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-. Parfois : NO₃^-, PO₄^3-, F^-...
  • Cations : Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺...
• Mineurs :
  • Métaux : Fe, Mn, Pb, ...
  • Isotopes : (¹⁸O, D, T, Sr...)
  • Organiques : hydrocarbures,
  • Autres : oxygène dissout
  • pesticides,

Paramètres physico-chimiques

pH, eH (potentiel redox), température, conductivité électrique, turbidité

Méthodes d'analyse

La caractérisation de la composition de l'eau fait appel à différents procédés :

• l'analyse chimique élémentaire : déterminer la composition en éléments dissous d'une eau (concentration massique des différents solutés), en général traduite sous forme de teneurs en ions pour les éléments majeurs et exprimées habituellement en mg/L;
• les méthodes physico-chimiques : les analyses, initialement faite avec des réactions chimique (dosages) élément par élément, sont maintenant faites avec des méthodes physiques ou physico-chimiques comme la chromatographie liquide haute pression (anions majeurs), la spectrométrie de flamme (cations majeurs), la spectrométrie de masse (isotopes de l'oxygène et de l'hydrogène en particulier), torche à plasma (analyse des traces), analyseurs de carbone (carbone organique/carbone inorganique), électrodes pour le pH et différents ions.

Modèles hydrochimiques

Plusieurs modèles sont utilisés par les hydrochimistes, pour résoudre des systèmes d'équilibre complexes et calibrer des données expérimentales et éprouver des scénarios. Souvent un modèle nécessite une base de données recensant les constantes d'équilibres des phases minérales d'une eau. Une référence dans la matière est la suite Phreeq, mais de nombreux autres modèles existent (CHEAQS, ChemEQL, CHESS, FITEQL, MEDUSA, MINEQL, MITEQ, StabCal).

Hydrochimie et cycle de l'eau

Eaux de pluie

La composition chimique de l'eau de pluie est d'abord influencée par la composition de la source de vapeur d'eau - l'eau de pluie peut par exemple avoir des similitudes remarquables avec l'eau des océans. Par la suite durant le transport de cette vapeur puis sa condensation sous forme de pluie, l'eau d'habitude s'appauvrit en certains éléments à mesure de l'éloignement de sa source, ou inversement s'enrichit au contact des poussières et pollutions atmosphériques.

Equilibres des solutions et des minéraux

Le système carbonate

Les ions carbonates et les minéraux carbonatés dans l'eau participent au pouvoir tampon de l'eau.
Le CO (dioxyde de carbone) est un gaz représentant environ 0.03 à 0.04 % de l'air sec. La dissolution du CO au contact air-eau est une réaction rapide. La quantité de CO dissous dépend surtout de la température et de la pression du CO dans l'air (habituellement entre 0.03 et 0.04 %) qui augmente rapidement dans les sols (pour atteindre environ 1 % de l'air du sol) du fait de la respiration organique. On parle aussi d'eau en équilibre avec l'air et d'eau en équilibre avec le sol. Dans certains cas, l'eau peut être en équilibre avec d'autres sources de CO importantes, comme par exemple des eaux carbo-gazeuses thermales, les marais et les tourbes. L'équilibre de dissolution et dégazage du CO s'écrit :

(1) CO_{2 gazeux} ⇌ CO_{2 dissous}

La réaction du CO dissous et de l'eau liquide conduit à la formation du CO aqueux (HCO) suivant l'équilibre :

(2) CO_{2 dissous} + H₂O ⇌ H₂CO₃

Dans des conditions normales de température et de pression, l'équilibre (2) conduit à l'équation :

(3) H₂CO₃ = p(CO_{2 gazeux}).10^-1.46

Le CO aqueux se dissocie suivant les équilibres entre les différentes espèces ioniques HCO- et CO2- et l'eau :

(4) H₂CO₃ + H₂O ⇌ HCO₃^1- + H⁺

(5) HCO₃^1- + H₂O ⇌ CO₃^2- + H⁺

On voit ainsi comment le CO gazeux, par dissolution dans l'eau puis par réaction avec les molécules d'eau peut former l'anion HCO- également appelé bicarbonate ou encore hydrogénocarbonate. Dans une eau naturelle, les couples H+ et carbonates sont souvent les seuls apportant un peu d'acidité permettant la dissolution des minéraux carbonatés (Calcite, Magnésite, Dolomite, etc.). Un des phénomènes les plus concrets de cette dissolution est la formation de karst dans les massifs calcaires. Inversement lorsque la pression en CO diminue, du fait par exemple de l'émergence de l'eau a l'air libre, la diminution de la concentration en bicarbonate induit la précipitation des carbonates - c'est le phénomène a l'origine de la construction d'une Tufière.

Echanges ioniques et sorption

Pollutions et hydrochimie