Le sol, un milieu d'échanges
La composition et la formation du sol
La structure du sol
Le sol est la partie supérieure et apparente de l'écorce terrestre dans laquelle et sur laquelle se développe la vie (végétale et animale).
Une représentation simplifiée de la structure d'un sol
Le sol au sens strict se trouve entre la roche-mère et la surface terrestre. C'est une couche d'une taille de l'ordre de quelques dizaines de centimètres à quelques dizaines de mètres dont la composition varie en fonction de la profondeur. On distingue des substances organiques et des substances minérales.
Substance organique
Les substances organiques sont issues de la vie et se composent majoritairement des éléments carbone \ce{C}, hydrogène \ce{H}, oxygène \ce{O}, azote \ce{N}. Elles possèdent des chaînes carbonées et des groupes caractéristiques.
Le bois est une substance organique.
Le pétrole est une substance organique car il est issu de la lente décomposition de matière végétale. Les dérivés du pétrole sont aussi des substances organiques.
Substance minérale
Les substances minérales sont des espèces chimiques inorganiques composées généralement de peu d'atomes différents et ayant une structure simple.
Une pierre est composée de substances minérales comme des silicates par exemple.
L'air est composé de substances minérales comme le diazote \ce{N2}, le dioxygène \ce{O2}, le dioxyde de carbone \ce{CO2}.
La formation du sol et son équilibre résultent d'échanges permanents de substances organiques et de substances minérales.
Les échanges de matière au niveau macroscopique
Humus
On appelle humus la partie organique du sol.
Les échanges de substances organiques vers le sol se font du haut vers le bas :
- La matière organique est produite en surface : la photosynthèse crée des substances organiques en récupérant les éléments carbone \ce{C}, hydrogène \ce{H}, et oxygène \ce{O} dans les substances inorganiques de l'air (dioxygène \ce{O2} et dioxyde de carbone \ce{CO2} ) et dans l'eau (\ce{H2O}). Les autres éléments indispensables proviennent du sol.
- La matière organique végétale meurt et se décompose mécaniquement, puis sous l'action d'organismes vivants de tailles diverses comme des vers de terre puis des bactéries pour former l'humus en une couche superficielle.
- L'humus est entrainé petit à petit vers les couches inférieures du sol par exemple par la pluie.
Les échanges de substances minérales vers le sol se font principalement du bas vers le haut :
- La roche-mère se fractionne pour donner des rochers et des cailloux.
- Ces pierres deviennent de plus en plus petites au fur et à mesure qu'elles remontent dans le sol.
- Les petits cailloux deviennent du sable puis finalement de l'argile.
- Quand ils sont finement divisés, les minéraux peuvent se dissoudre et ainsi former des ions qui sont utilisables par les plantes pour se nourrir.
Une partie des substances minérales du sol vient aussi du haut. En effet les molécules organiques peuvent également être dégradées en substances minérales.
La rencontre de ces deux flux de matière forme la grande majorité du sol, où l'on rencontre à la fois des substances organiques et minérales dans les agrégats.
Agrégat
On appelle agrégat un assemblage de substances organiques (humus) et de substances inorganiques (petits cailloux et argile) formant un petit morceau de sol.
L'humus et l'argile y sont assemblés en ce que l'on appelle le complexe argilo-humique.
L'espace entre les agrégats permet à la solution de sol, constituée d'eau et d'ions, de circuler et les échanges entre la solution de sol et le sol se font à la surface des agrégats.
L'importance du complexe argilo-humique (CAH)
Une mise en évidence expérimentale des propriétés du complexe argilo-humique
Pour étudier la manière dont le complexe argilo-humique échange des ions avec la solution de sol, on propose de réaliser une expérience consistant à faire traverser un échantillon de sol à deux solutions colorées :
- Une solution d'éosine, de couleur rouge due à des anions (ions chargés négativement)
- Une solution de bleu de méthylène, de couleur bleue due à des cations (ions chargés positivement)
Un montage de filtration
Le filtrat obtenu avec la solution de bleu de méthylène est incolore. Le bleu de méthylène a donc été décoloré : les cations responsables de sa couleur ont donc été retenus par le complexe argilo-humique.
En revanche le filtrat obtenu avec la solution d'éosine reste rouge. Les anions responsables de sa couleur n'ont donc pas été retenus.
On en déduit la propriété suivante :
Le complexe argilo-humique est globalement chargé négativement. Il interagit avec les cations (ions chargés positivement).
Le complexe argilo-humique s'entoure de cations comme par exemple les ions magnésium (II) \ce{Mg+}, calcium (II) \ce{Ca+}, hydronium \ce{H+} et sodium (I) \ce{Na+}.
Il repousse les anions comme par exemple les ions nitrates \ce{NO3-}, les ions hydroxyde \ce{OH-}.
Les échanges au niveau microscopique
Les échanges de matière dans le sol se font en phase aqueuse par la solution de sol qui est un mélange d'eau et d'ions. Les racines des végétaux y puisent les substances minérales nécessaires à leur croissance sous forme d'ions.
La présence de complexes argilo-humiques permet de retenir des cations dans le sol et d'éviter ainsi le lessivage des sols par la pluie. En échangeant des ions, il permet de réguler leur concentration dans la solution de sol. La présence de nombreux complexes argilo-humiques est signe d'un sol de bonne qualité.
Les échanges d'ions dans le sol
Les engrais et les produits phytosanitaires
Les engrais
L'utilité des engrais
Dans un écosystème naturel comme une forêt, les végétaux rendent au sol ce qu'ils y ont puisé lorsqu'ils meurent et se décomposent. En revanche, dans un agrosystème, des substances organiques et minérales sont exportées pour être vendues : le sol s'appauvrit en éléments nutritifs pour les futures cultures.
Engrais
On appelle engrais une substance ajoutée par l'homme au sol afin de fournir aux végétaux des substances minérales nécessaires à leur croissance.
Les engrais peuvent être d'origine naturelle et organique, comme un fumier par exemple.
Les engrais peuvent aussi être de synthèse et minéraux. C'est le cas de la majorité des engrais agricoles.
La composition chimique qualitative et quantitative d'un engrais
Les plantes puisent les éléments carbone \ce{C}, oxygène \ce{O} et hydrogène \ce{H} dans l'air et dans l'eau qui sont des ressources qui ne sont pas affectées par l'appauvrissement du sol. Les autres éléments nécessaires à la croissance des plantes sont :
- L'azote \ce{N}
- Le phosphore \ce{P}
- Le potassium \ce{K}
Les engrais apportent donc souvent ces éléments sous diverses formes. Par exemple, l'azote \ce{N} est souvent apporté par des ions nitrates \ce{NO3-} mais il peut aussi être apporté sous forme ammoniacale (ammoniaque \ce{NH3} ou ion ammonium \ce{NH4+} ).
Les engrais contenant les trois éléments minéraux essentiels sont dits engrais ternaires ou engrais NPK. Ce sont les plus courants de nos jours.
La composition chimique des engrais NPK est obligatoirement donnée en pourcentage massique de chacun des éléments \ce{N}, \ce{P} et \ce{K} par trois nombres qui suivent la mention NPK.
Un engrais sur l'emballage duquel est noté NPK 5-7-12 possède :
- 5% de sa masse sous forme d'élément Azote \ce{N}
- 7% de sa masse sous forme d'élément Phosphore \ce{P}
- 12% de sa masse sous forme d'élément Potassium \ce{K}
Les produits phytosanitaires
L'utilité des produits phytosanitaires
Produit phytosanitaire
On appelle produit phytosanitaire une substance utilisée par l'homme pour favoriser le développement d'une plante en la protégeant :
- Des parasites
- Des maladies
- De la concurrence éventuelle d'autres espèces
Les principaux produits phytosanitaires sont les pesticides (insecticides), les fongicides et autres traitements contre certaines maladies, et les désherbants.
Il faut distinguer les engrais et les produits phytosanitaires. Leur point commun est qu'ils favorisent la croissance des plantes, mais :
- Les engrais nourrissent les plantes.
- Les produits phytosanitaires protègent et/ou soignent les plantes.
Un exemple de dosage par comparaison
Dosage
On appelle dosage toute opération dont le but est de déterminer la quantité ou la proportion d'une substance donnée dans un mélange de plusieurs substances.
On peut être amené à doser le chlore dans une piscine pour savoir s'il est en quantité suffisante ou s'il faut en rajouter pour assurer la stérilité de l'eau. Ce dosage se fait souvent à l'aide d'une bandelette dont la couleur change en fonction de la concentration massique en chlore.
Concentration massique
On appelle concentration massique c (ou titre massique t) d'une substance donnée dans une solution la masse de cette substance qu'il faudrait utiliser pour fabriquer un litre de cette solution.
Elle se calcule par la formule suivante :
c = \dfrac{m}{V_{Sol}}
où :
- c est la concentration massique en grammes par litre (g/L ou g.L-1).
- m est la masse en grammes (g).
- VSol est le volume de la solution en litres ( L).
Pour fabriquer un sirop on a utilisé 750 g de sucre pour obtenir 600 mL de sirop. La concentration massique du sucre dans ce sirop est donc de :
c = \dfrac{750}{0{,}600} = 1\ 200 g/L
Il faut bien penser à utiliser les bonnes unités pour la masse et le volume de la solution et faire les conversions qui s'imposent.
Dans l'exemple ci-dessus, on a converti le volume de la solution de millilitres en litres. En effet 600 mL = 0,600 L.
Dosage par comparaison
On appelle dosage par comparaison une opération de dosage qui se fait en comparant une solution de concentration inconnue avec des solutions de concentrations connues.
La comparaison peut se faire sur une caractéristique visuelle comme par exemple la couleur, ou sur une grandeur mesurée.
Utilisation d'une échelle de teintes
La solution de concentration inconnue est comparée par l'intensité de sa couleur à des solutions de la même espèce chimique dont la concentration est connue.
On remarque que la solution inconnue est plus foncée que la solution de concentration massique 5 g/L et moins foncée que la solution de concentration massique 10 g/L.
On en déduit que la concentration massique de la solution inconnue est comprise entre 5 g/L et 10 g/L.
Détermination de la concentration massique en ions fer (II) d'une solution d'un produit phytosanitaire contre la chlorose ferrique.
Les ions fer (II) \ce{Fe^2+} sont peu colorés ce qui rend la méthode par échelle de teintes inutilisable. On propose ici de procéder comme suit :
- On prépare 4 solutions de concentrations massiques respectives 1 g/L, 2 g/L, 5 g/L, 10 g/L.
- On prépare une solution violette de permanganate de potassium.
- On prélève 10 mL de chacune des 4 solutions de concentrations connues et de la solution de concentration inconnue.
- On verse la solution violette de permanganate de potassium dans chacune des solutions et on note le volume pour lequel la coloration violette cesse de disparaître.
- On obtient les résultats suivants :
| Concentration massique (g/L) | 1 | 2 | 5 | 10 | ? |
|---|---|---|---|---|---|
| Volume versé (mL) | 1,9 | 3,6 | 9,0 | 18,2 | 7,8 |
- On trace un graphique représentant le volume de solution violette versée en fonction de la concentration massique.
- On remarque que les points sont alignés et on trace la droite qui les relie.
- On reporte sur ce graphique le volume versé pour la solution de concentration inconnue (ici 7,8 mL) et on en déduit la concentration massique inconnue en se servant de la droite tracée (ici environ 4,3 g/L).
Les eaux de consommation
Les différentes eaux de consommation
Les eaux de source, les eaux minérales et les eaux du robinet
Les eaux de consommation peuvent être classées en trois groupes :
- Les eaux du robinet, ou eaux de réseaux de distribution
- Les eaux de source
- Les eaux minérales
Les eaux du robinet sont prélevées à la surface (rivière, lac) ou en sous-sol et sont traitées afin d'être rendues potables. Elles sont ensuite distribuées par un réseau de canalisations.
Les eaux de source sont prélevées à une source et ne sont pas traitées. Elles sont potables à la source.
Les eaux minérales sont des eaux de sources possédant deux propriétés supplémentaires :
- Leur composition chimique ne varie pas.
- Elles sont reconnues bénéfiques pour la santé.
La potabilité d'une eau
Les eaux de consommation sont soumises à des normes de potabilité très strictes qui concernent notamment :
- Leur qualité bactériologique : les eaux ne doivent pas contenir beaucoup de microbes.
- Leur composition chimique : concentration limitée en certaines molécules ou ions.
- Leur pH : entre 6,5 et 8,5 donc assez proche d'un pH neutre.
- Leur température d'émergence
Le traitement d'une eau du robinet
Entre son prélèvement et le consommateur l'eau du robinet est traitée afin d'être potable. Ces traitements consistent notamment :
- à rendre l'eau claire et limpide, par décantation et filtration pour éliminer les particules solides en suspension dans l'eau.
- à éliminer le plus possible les bactéries et parasites, en désinfectant l'eau par ozonation et ajout de chlore.
L'efficacité des différents traitements est vérifiée par des dosages de contrôle.
La composition chimique d'une eau
Les principales caractéristiques chimiques d'une eau
Les eaux de consommation ne sont pas chimiquement pures : elles contiennent de l'eau \ce{H2O} sous forme moléculaire, mais aussi des gaz dissous et surtout des sels minéraux c'est-à-dire des ions en solution.
Les principales caractéristiques chimiques d'une eau sont :
- Son pH
- Sa minéralisation totale, ou résidu sec en g/L
- Sa concentration massique en différents minéraux (sous forme d'ions) en g/L
Généralement le pH des eaux de consommation est neutre (pH =7) ou très légèrement basique, typiquement pH = 7,3.
La minéralisation totale par pesée du résidu sec, c'est-à-dire de ce qui reste quand on a fait évaporer l'eau, est une indication de la richesse d'une eau en sels minéraux.
Une eau ayant moins de 0,5 g/L de résidu sec est une eau faiblement minéralisée, tandis qu'une eau ayant plus de 1.5 g/L de résidu sec est une eau fortement minéralisée.
La concentration massique de certains minéraux sous forme d'ions peut également avoir un intérêt : on peut ne pas souhaiter utiliser la même eau pour faire le biberon d'un nourrisson que pour faciliter l'élimination de toxines après un effort sportif. Les ions les plus importants sont :
- Les ions bicarbonates ou hydrogénocarbonates (\ce{HCO3-}) : ils sont responsables des bulles de l'eau gazeuse à forte dose.
- Les ions nitrates (\ce{NO3-}) , qui sont mauvais pour la santé.
- Les ions calcium \ce{Ca^2+} et magnésium \ce{Mg^2+} qui sont recherchés par certaines personnes pour leurs effets sur la santé, mais qui sont aussi responsables de la dureté de l'eau et de ses conséquences néfastes sur les installations.
La dureté et l'adoucissement de l'eau
Dureté de l'eau
On appelle dureté de l'eau une caractéristique importante d'une eau de consommation ou industrielle. Elle est directement liée à la concentration massique en ions calcium (II) \ce{Ca^2+} et magnésium (II) \ce{Mg^2+}.
Une eau contenant peu de calcium et de magnésium aura une dureté faible. Elle sera qualifiée de douce, ou peu dure.
Une eau contenant au contraire beaucoup de calcium et de magnésium aura une dureté élevée. Elle sera qualifiée d'eau très dure.
Les eaux très dures posent des problèmes aux installations utilisant de l'eau :
- Une eau très dure a tendance à limiter l'effet des détergents et tensioactifs, ce qui oblige à augmenter les doses de lessives par exemple.
- Une eau dure a tendance à provoquer des dépôts de calcaire \ce{CaCO3}, ce qui peut provoquer des défaillances, par exemple en bouchant les canalisations ou en empêchant le fonctionnement des robinets.
Adoucissement d'une eau
L'adoucissement d'une eau est une opération consistant à faire diminuer la dureté d'une eau, c'est-à-dire à faire diminuer la concentration massique en ions calcium (II) et en ions magnésium (II).
Généralement, on adoucit l'eau en utilisant une résine échangeuse d'ions :
Les ions calcium (II) \ce{Ca^2+} et magnesium (II) \ce{Mg^2+} y sont échangés contre des ions sodium (I) \ce{Na+} ou hydronium \ce{H+}. L'opération se fait en faisant traverser la résine échangeuse d'ions à l'eau dure.
