Chimie de l'eau à l'usage des aquariophiles

par Ghislain Joliet

  • L'eau solvant

  • L'eau est un solvant, on peut y dissoudre toutes sortes de choses: du sel, du sucre, du pastis, du calcaire... C'est le solvant le plus courant sur terre, nous l'utilisons tous les jours.

    Plus précisément, l'eau est un solvant polaire. Ce qui veut dire que chaque molécule d'eau est polarisée et se comporte comme un petit aimant. L'eau se comporte donc comme une boîte d'épingles aimantées. Ce phénomène détermine en grande partie les types de composés qui peuvent se dissoudre dans l'eau:

    Par contre, les grosses molécules apolaires qui n'ont aucune tendance à se dissocier ne se dissolvent pas dans l'eau. Il s'agit en général des grosses molécules organiques, tels les graisses et les hydrocarbures.

    Toutes les substances capables de se dissoudre dans l'eau ne le font pas de la même façon. Certaines se dissolvent totalement et en toutes proportions (alcool, sel de cuisine (NaCl)). D'autres se dissolvent seulement en partie (oxygène, calcaire, sucre). Dans ce dernier cas, la quantité qui peut être dissoute est déterminée par une équation de solubilité. La forme de cette équation dépend du type de dissolution (gaz, liquide, solide, avec ou sans dissociation...) et comprend une constante caractéristique (Ks) fonction de la température.

    Par exemple, lors de sa dissolution, le calcaire (CaCO3) se dissocie en ions carbonates (CO3--) et calcium (Ca++). Les concentrations en carbonate ([CO3--]) et en calcium ([Ca++]), une fois la dissolution achevée, répondent à l'équation: [Ca++] x [CO3--]= 4,96 x 10 -9 (à 25°C).

  • Les substances dissoutes dans l'eau
    1. Les gaz
    2. Les gaz dissous dans l'eau ont deux provenances principales: les échanges avec l'atmosphère, l'activité des êtres vivants dans l'eau.

      1. L'oxygène
      2. L'oxygène dissous provient des échanges avec l'atmosphère et de l'activité photo synthétique des plantes. Il est présent sous forme moléculaire O2et ne se dissocie pas.

      3. L'azote
      4. L'azote provient exclusivement des échanges avec l'atmosphère. Il est présent sous forme moléculaire N2et ne se dissocie pas.

      5. Le dioxyde de carbone

      Le dioxyde de carbone provient des échanges avec l'atmosphère et de la respiration des animaux et des microorganismes. Il est présent sous une forme associée avec l'eau: l'acide carbonique (H2CO3). Cette forme peut se dissocier en libérant un proton et du bicarbonate (HCO3--).

      Les proportions de gaz dissous dans l'eau peuvent être très différentes des proportions dans l'air et varient en fonction de la salinité de l'eau, comme illustré au tableau 1.

      Tableau 1: solubilité des gaz dans l'eau douce et l'eau de mer

       

      atmosphère

      Eau distillée

      Eau de mer

      Gaz

      %

      ml/l

      %

      ml/l

      %

      N2

      78,18

      14,3

      63,3

      11,4

      62,1

      O2

      21,05

      7,9

      35

      6,3

      34,4

      CO2

      0,03

      0,4

      1,8

      0,3

      1,8

    3. Les sels dissous
    4. Les sels dissous dans l'eau ont pour origine principale la dissolution acide des roches. Une autre source parfois non négligeable est la pollution agricole (nitrate et phosphate) et industrielle (sulfate). Les sels se dissolvent dans l'eau sous forme d'ions. Dans l'eau, on considère habituellement huit ions principaux, quatre anions: (bi)carbonate, sulfate, chlorure et nitrate et quatre cations: calcium, magnésium, sodium et potassium. Pour conserver l'équilibre ionique de l'eau, la somme des charges dues aux cations est toujours égale à la somme de celles dues aux anions (mesure à pH=7). Lorsque cette balance n'est pas respectée dans une analyse, on peut suspecter la présence d'un autre ion qui n'a pas été détecté.

      Tableau 2: Quelques roches et leurs dissolutions

      Roches

      Cations

      Anions

      Calcite et aragonite

      Ca++

      CO3--

      Dolomie

      Ca++, Mg++

      CO3--

      Apatite

      Ca++

      PO4---

      Gypse

      Ca++

      SO3--

      Sel gemme, dépôts marins

      Na+

      Cl-

      Différentes eaux et leurs conpositions en sels dissous

      Tableau 3: composition de différentes eaux en méq/l d'ion

      Ion

      Tanganiyka

      Evian

      Contrex

      Vittel

      Fagne

      Ca++

      0,424

      3,892

      23,303

      10,080

      0,100

      Mg++

      3,292

      1,975

      6,912

      2,962

      0,099

      Na+

      2,719

      0,217

      0,304

      0,165

      0,126

      K+

      0,870

      0,026

      0,077

      0,000

      0,009

      HCO3-

      5,244

      5,851

      6,179

      6,588

      0,114

      CO3--

      1,333

      0,000

      0,000

      0,000

      0,000

      Cl-

      0,733

      0,127

      0,197

      0,000

      0,085

      SO4--

      0,083

      0,208

      24,818

      6,371

      0,135

      NO3-

      0,000

      0,061

      0,000

      0,000

      0,000

      Figure 2: Eau d'Evian; répartition des différents ions. On note que le nombre de cations en rouge égale le nombre d'anions en bleu.

      Figure 3: Eau du lac Tanganyika, répartition des différents ions. On remarque la grande quantité de sodium et la relative pauvreté en calcium, ainsi que la présence de carbonates

      Figure 4: Comparaison entre trois eaux: une eau dure européenne (Evian), l'eau du lac Tanganyika et une eau douce (eau de Fagne). On remarque les variations de compositions cationiques entre l'eau d'Evian et l'eau du lac Tanganyika et la pauvreté de l'eau de Fagne.

    5. Les oligoéléments

    Les oligoéléments sont des substances dissoutes en très faible quantité dans l'eau. On n'en tient généralement pas compte pour la balance ionique de l'eau. De plus, leur quantification est très difficile et demande des moyens qui ne sont généralement pas à la portée de l'aquariophile. Elles sont cependant indispensables à la vie mais à très forte concentration; ce sont souvent des poisons viollants. Les plus courants sont le fer, le cuivre, le manganèse, le zinc, le sélénium, le strontium...

  • Le pH ou potentiel Hydrogène
  • Le pH est une mesure. Elle peut être effectuée avec un appareil plus ou moins automatique (pHmètre) ou à l’aide d’un test colorimétrique (liquide ou bandelette). Lorsque l’on utilise un pHmètre, celui-ci doit être étalonné avant chaque mesure avec des solutions étalons de pH connu (7,0 et 4,0 ou 10,0).

    Le pH est le reflet de l’acidité des solutions diluées; il n’a donc pas de sens dans les produits purs ou en solutions concentrées en acide ou en base (concentrations supérieures à une mole par litre).

    Un acide (HA) est une substance qui dans l’eau (H2O) libère un proton au profit d’une molécule d’eau (un proton dans ce cas-ci est un atome d’hydrogène ayant perdu un électron, l’atome d’hydrogène n’ayant qu’un électron, il ne reste que le noyau, constitué d’un seul proton.). Pour former un anion (A-) et un ion hydronium (H3O+). Les acides forts se dissocient totalement, les acides faibles (Ha) seulement en partie (la dissociation est alors réversible). Une base est une substance capable de capter ce proton.

    Le pH se définit comme le logarithme inverse de la concentration (en mole par litre) en ions hydroniums (pH = -log[H3O+]).

    Le pH est toujours compris entre 0 et 14. Ce qui est dû à la dissociation de l’eau elle-même. Cette dissociation de l’eau est régie par une équation mathématique que l’on appelle produit ionique de l’eau: [H3O+] x [OH-]= 10 -14 (à 25°C).

    Donc dans l’eau pure (distillée), où seule la dissociation de l’eau entre en jeu, les concentrations en H3O+ et en OH- sont égales (10-7mole par litre) et le pH est de 7. En solution acide fort concentrée (1 mole par litre), la concentration en H3O+ est maximum (1 mole par litre car l’acide est totalement dissocié) et le pH est 0. A l’opposé, dans une solution concentré de base forte (1 mole par litre), cette base capte une mole de protons venant de la dissociation de l’eau. La concentration en OH- est donc de une mole par litre et celle de H3O+ de 10-14mole par litre pour respecter le produit ionique de l’eau et le pH est de 14.

  • Le pH de l’aquarium et le système des carbonates
  • En aquarium, l’acidité est due en partie à des acides organiques venant du métabolisme des êtres vivants et surtout au dioxyde de carbone (CO2) qui se dissout dans l’eau sous forme d’acide carbonique. Celui-ci se dissocie une première fois pour former du bicarbonate (HCO3-), et éventuellement une seconde pour libérer du carbonate (CO3--) libérant à chaque étape un proton ce qui tent à faire baisser le pH.

    D’autre part, la plupart de nos eaux sont chargées en carbonate de calcium et de magnésium (calcaire), qui se dissolvent dans l’eau en se dissociant en cations (Ca++ ou Mg++) et en carbonates. Ces même carbonates s’associent avec des protons venant de la dissociation de l’eau pour former du bicarbonate, qui peut lui-même s’associer une seconde fois avec un proton pour former de l’acide carbonique, qui retournera éventuellement à l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Ici, à chaque étape un proton est capter et le pH augmente.

    La somme des concentrations en carbonates et en bicarbonates (exprimées dans la même unité) forme le TAC.

    Comme on peut le voir, la dissociation de l’acide carbonique et l’association du carbonate sont les deux directions possibles d’un même système. Ce système atteint évidement un équilibre. Ce point d’équilibre et donc le pH dans l’aquarium dépend de la quantité de carbonates présents au départ et de la quantité de dioxyde de carbone dissous. Ce dernier étant produit dans l’aquarium (respiration) ou consommé (photosynthèse), l’équilibre se déplace soit vers le carbonate (pH diminue) dans le premier cas, soit vers l’acide carbonique (pH augmente) dans le second cas. Cela provoque des variations suivant l’heure de la journée.

    De leurs côté, les acides organiques se dissocient dans l’eau et produisent des protons. Pour lutter contre cette production, le système des carbonates se déplace vers l’acide carbonique. Ce déplacement consomme des protons mais aussi du (bi)carbonate. Il en résulte une chute du TAC. Une fois le bicarbonate consommé (le TAC s’annule), il n’y a plus de système des carbonates pour réguler le pH; celui-ci peut alors chuter brutalement.

    Equation 3: Equations du système des carbonates

    Figure 1 : Concentrations des différentes formes de carbonates (verticalement en %) en fonction du pH (horizontalement). L’acide carbonique est représenté en bleu, le bicarbonate en rose et le carbonate en vert. On peut voir que le carbonate proprement dit disparaît totalement en-dessous de pH 8,5. Donc pour les valeurs que nous retrouvons habituellement en aquarium, le TAC se confond avec la concentration en bicarbonate. En-dessous de pH 5, on remarque que les carbonates ont à leur tour disparus, le TAC est nul.

  • Analyses chimiques à la portée de l'aquariophile
  • Nous reprenons ici les tests et les analyses les plus courants pour l'aquariophile et ceux avec lesquels ils peuvent être confondus. Certaines marques en proposent d'autres parfois très originaux, inutiles ou applicables seulement dans des cas précis (tests permettant de doser les médicaments, les engrais, ...). D'autres ne sont pas disponibles dans le commerce aquariophile mais en pharmacie ou chez les fournisseurs de matériel pour laboratoires. Dans le monde aquariophile, les test tendent actuellement vers la simplicité et sont de plus en plus souvent proposés sous forme de test colorimétrique en tigettes. C'est plus simple, mais aussi moins précis.

    1. Le pH (potentiel Hydrogène)
    2. Définition: mesure de l'acidité (ion H3O+)

      Mesure: colorimétrique (liquides, bandelettes, tigettes, comprimés), pHmètre

      Commentaire: le pH est un nombre sans unité, c'est un logarithme inverse en base 10 ( pH 4 est 10 x plus acide que pH 5, 100 x que pH 6, etc.). Le pH, surtout en aquarium planté, est sujet à des variations nictémérales. Si vous utilisez un pHmètre, n'oubliez pas de le choisir à deux points d'étalonnage et de l'étalonner chaque fois que vous prenez des mesures.

    3. TH (Titre Hydrométrique)
    4. Définition: mesure les ions calcium (Ca++) et magnésium (Mg++)

      Mesure: test type titrage (compter les ml ou les gouttes)

      Commentaire: certains tests ne marchent pas en l'absence de magnésium

      Autres noms: dureté totale, GH (implique les unités allemandes)

    5. TAC (Titre Alcalinimétrique Complet)
    6. Définition: mesure carbonates (CO3--) et bicarbonates (HCO3-)

      Mesure: test type titrage (compter les ml ou les gouttes)

      Commentaire: il n'y a en général pas de carbonate en aquarium sauf en bac Langanyika au-dessus de pH 8,5

      Autres noms: dureté carbonatée, KH (implique les unités allemandes), THCa (appellation commerciale incorrecte)

    7. Conductivité
    8. Définition: mesure de la capacité de l'eau à conduire l'électricité, dépend des ions présents

      Mesure: avec un conductimètre

      Commentaire: cette mesure est le reflet de l'activité globale de tous les ions présents. Elle n'est pas reliable directement à la dureté ni à aucune autre mesure. Elle peut être totalement différente pour la même quantité d'ions présents mais en d'autres proportions. C'est une mesure très pratique en eau peu minéralisée où les autres tests donnent des mesures très faibles ou nulles.

    9. Nitrates
    10. Définition: mesure les nitrates (NO3-)

      Mesure: test colorimétrique (kit complet comprenant plusieurs liquides et poudres, tigettes, comprimés)

      Commentaire: ne pas confondre avec nitrite, maximum 50 mg/l (norme EMS) dans l'eau de ville (sinon porté plainte contre votre compagnie de distribution)

    11. Nitrites
    12. Définition: mesure les nitrites (NO2-)

      Mesure: test colorimétrique (kit complet comprenant plusieurs liquides et poudres, tigettes, comprimés)

      Commentaire: ne pas confondre avec nitrates. Certains tests proposent une échelle colorimétrique, mais seule la détection compte: il ne doit pas y en avoir, c'est un poison.

    13. Ammoniac
    14. Définition: mesure l'ammoniac (NH3 ou NH4+)

      Mesure: test colorimétrique

      Commentaire: les poissons excrètent l'azote sous cette forme. Comme pour les nitrites: il ne doit pas y en avoir, c'est un poison.

    15. Chlorures
    16. Définition: mesure les chlorures (ion Cl-)

      Mesure: test type titrage (compter les millilitres ou les gouttes)

      Commentaire: ne pas confondre avec le test chlore, pas d'intérêt aquariophile.

    17. Chlore
    18. Définition: mesure le chlore moléculaire (Cl2)

      Mesure: colorimétrique (liquides, comprimés)

      Commentaire: ne pas confondre avec le test chlorure. La seule utilité est de mesurer si l'eau de conduite est chlorée ou non par le distributeur (attention, cela peut varier dans le temps et en quantité suivant l'humeur du dit distributeur et ses problèmes d'hygiène).

    19. Autres tests
    20. Il existe aussi des test fer (II, III), cuivre... Parfois utiles (traitement au cuivre, ajout de fer pour les plantes...), souvent mal calibrés (échelle de mesure sans rapport avec les quantités normales en aquarium).

    21. Sodium (Na+)
    22. Il n'y a pas de test aquariophile pour le sodium. Il faut déduire cette valeur des autres.

    23. L'oxygène
    24. L'oxygène est un gaz dissous; on peut le mesurer grâce à un appareil, l'oxymètre. On l'exprime souvent en mg/l ou en poucentage par rapport à la saturation. La mesure est alors toujours accompagnée de la température de la mesure (ex: Température 15°C, O2 90% de saturation) car la valeur de saturation varie en fonction de celle-ci ([O2]sat.mg/l=468/(31,6+t) relation empirique valable entre 0 et 30 °C)

    25. Unités

    Les unités de dureté (TH et TAC) sont nombreuses, souvent archaïques, les meilleurs sont les mg/l d'ion (mg/l CaCO3 = très archaïque) ou les méq/l d'ion. Seuls les méq/l permettent de comparer et d'additionner les résultats de différents ions. Les degrés français et allemands sont utiles pour les valeurs comprenant plusieurs ions tel le TH. Sur les bouteilles d'eau, l'analyse ionique est souvent donnée en mg/l d'ion. Voici deux tableaux pour vous permettre de jongler avec les différentes unités.

    Tableau 4: Facteurs de conversion des unités de dureté de l'eau

     

    °Fra

    °All

    °GB

    mg/l CaCO3

    mmole/l ion++

    méq/l

    °Fra

    1

    0,560

    0,702

    10

    0,100

    0,200

    °All

    1,780

    1

    1,250

    17,800

    0,180

    0,357

    °GB

    1,430

    0,798

    1

    14,300

    0,140

    0,285

    mg/l CaCO3

    0,10

    0,056

    0,0702

    1

    0,010

    0,020

    mmole/l ion++

    10

    5,60

    7,020

    100

    1

    2

    méq/l

    5

    2,800

    3,510

    50

    0,500

    1

    Tableau 5: Facteurs de conversions des méq/l vers les mg/l (ou ppm) pour les principaux ions

    Ions

    Facteur x éq=g

    Ca++

    20,040

    Mg++

    12,153

    Na+

    22,990

    K+

    39,098

    HCO3-

    61,017

    CO3--

    30,005

    Cl-

    35,453

    SO4--

    48,029

    NO3-

    62,005