L`EAU, MILIEU NATUREL

1
L’EAU, MILIEU NATUREL
D42 – 12E6
SOMMAIRE
I. SEQUENCE 1 : L’ETAT DES LIEUX ...................................................................................................... 3
1. L’EAU DU GLOBE ....................................................................................................................................... 3
Répartition des eaux du globe ....................................................................................................................... 3
Les besoins en eau à l’échelle de la planète .................................................................................................. 4
2. L’EAU EN FRANCE ..................................................................................................................................... 4
Les ressources annuelles moyennes en France ............................................................................................. 4
Classement des ressources en eau ................................................................................................................. 5
Les besoins en France ................................................................................................................................... 5
Les niveaux de besoin en France ................................................................................................................... 6
3. L’ESSENTIEL DE LA SEQUENCE 1 ................................................................................................................ 6
Les eaux douces utilisées par l’homme représentent une infime partie des eaux du globe ........................... 6
Les eaux douces sont très inégalement réparties ........................................................................................... 6
L’essentiel de la réserve en eau douce est constituée d’eau souterraines ..................................................... 6
L’humanité ne consomme qu’une petite partie des eaux douces ................................................................... 6
Certaines utilisations restituent l’eau massivement et quasi instantanément ................................................ 6
Certaines utilisations font disparaître une grande partie de la ressource .................................................... 6
II. SEQUENCE 2 : LE CYCLE DE L’EAU .............................................................................................. 7
III. SEQUENCE 3 : LA MOLECULE D’EAU ........................................................................................... 8
4. LES PREACQUIS .......................................................................................................................................... 8
Noyau atomique ............................................................................................................................................. 8
Chimie ........................................................................................................................................................... 8
Schéma de Lewis ............................................................................................................................................ 8
Règle de l’octet et du duet ............................................................................................................................. 8
La liaison de covalence ................................................................................................................................. 8
5. LA MOLECULE D’EAU ................................................................................................................................ 8
Les liaisons .................................................................................................................................................... 8
L’angle et la polarisation de l’eau ................................................................................................................ 8
Les ponts hydrogènes..................................................................................................................................... 9
Un excellent solvant....................................................................................................................................... 9
IV. SEQUENCE 4 : LA PHYSIQUE DE L’EAU ..................................................................................... 10
L’échelle des degrés Celsius ........................................................................................................................ 10
La calorie .................................................................................................................................................... 10
6. LES TROIS ETATS DE L’EAU ...................................................................................................................... 10
L’eau sous forme gazeuse ............................................................................................................................ 10
La glace ....................................................................................................................................................... 10
L’état liquide ............................................................................................................................................... 10
7. PROPRIETES PHYSIQUES DE L’EAU ........................................................................................................... 10
Masse volumique en kg.m-3 .......................................................................................................................... 10
Propriétés thermiques.................................................................................................................................. 11
La température ............................................................................................................................................ 11
La viscosité .................................................................................................................................................. 11
Tension superficielle .................................................................................................................................... 11
Pression osmotique ...................................................................................................................................... 12
Propriétés électriques .................................................................................................................................. 12
Propriétés optiques ...................................................................................................................................... 12
8. ETATS DES IMPURETES DANS L’EAU......................................................................................................... 12
Solutions vraies ou moléculaires ................................................................................................................. 12
Solutions colloïdales (ou micellaires, ou pseudo-solutions) ........................................................................ 13

2
Suspensions, émulsions ................................................................................................................................ 13
9. L’ESSENTIEL DE LA SEQUENCE 4 .............................................................................................................. 13
Des propriétés physiques curieuses ............................................................................................................. 13
D’autres propriétés importantes .................................................................................................................. 13
V. SEQUENCE 5 : LA CHIMIE DE L’EAU .......................................................................................... 14
10. L’EAU EST UN SOLVANT ...................................................................................................................... 14
La solvatation des ions ................................................................................................................................ 14
Une solvatation complète est une dissolution .............................................................................................. 15
Les substances dissoutes .............................................................................................................................. 15
11. LES CONCENTRATIONS D’UNE SOLUTION ............................................................................................ 17
La concentration massique .......................................................................................................................... 17
La concentration d’une espèce introduite ................................................................................................... 17
Concentration d’une espèce en solution ...................................................................................................... 17
Les solutions de solides ioniques ................................................................................................................. 17
Calcul d’un nombre de moles ...................................................................................................................... 18
12. DILUTION ............................................................................................................................................ 18
13. DISSOCIATION IONIQUE DE L’EAU ....................................................................................................... 18
Autoprotolyse de l’eau ................................................................................................................................. 18
PH des solutions aqueuses .......................................................................................................................... 19
Importance du pH ........................................................................................................................................ 20
Les solutions tampon ................................................................................................................................... 21
Revoir livret N3-6V4 : Atomes et molécules ................................................................................................ 21

3
I. SEQUENCE 1 : L’ETAT DES LIEUX
1. L’eau du globe
L’eau est la substance minérale la plus répandue à la surface du globe.
Elle constitue l’hydrosphère : 72% de la surface du globe, sous différents états :
- solide : glaces polaires et glaciers
- liquide : lacs, étangs, océans, rivières, etc.
- gazeux : vapeur, nuages.
Deux catégories selon la teneur en éléments dissous :
- eaux douces ;
- eaux salées.
Volume total estimé : 1'350 mio de km3.
Répartition des eaux du globe
Le tableau montre :
- répartition des eaux liquides et solides.
- dominance des eaux salées.
Parmi les eaux douces :
- l’importance des calottes polaires comme réserve d’eau douce (>79% de l’eau douce) et
- la faible fraction que représentent les eaux douces de surface (fleuves + lacs + sol = 2,4% du
total des eaux).
- la proportion très importante des eaux douces représentée par les eaux douces profondes.
Tableau : estimation et répartition des eaux du globe en km3.
Eaux salées
Eaux
douces
% du total
Océans et mers
1'300'000’000
(99,99%)
97%
Lacs et mers internes
salées
100'000
(0,01%)
0,01%
Lacs d’eau douce
123'000
(0,3%)
0.01%
Cours d’eau
1'230
(0,03%)
0,0001%
Eau du sol
65'000
(0,2%)
0,005%
Nappes aquifères
4'000'000
(10%)
0,3%
Eaux profondes
4'000'000
(10%)
0,3%
Total eau liquide
1'300'100'000
8’189'230
(20,5%)
97,6%
Total eau solide
(calotte glaciaire)
32'000'000
(79,5%)
2,4%
Total eau vapeur
13'000
(0,03%)
0,001%

4
Totaux
1'300'100'000
(97%)
40'202'230
(3%)
1’340’302'230
(100%)
En résumé :
- 97% des eaux sont salées, 3% sont douces.
- 80% de l’eau douce se trouve dans les calottes glaciaires.
- 97% des eaux douces liquides se trouvent dans les nappes aquifères (<800m) et dans les
eaux profondes, à peine 2,4% dans les eaux de surface.
Remarque sur la répartition
La répartition ci-dessus est globale et masque de très grandes disparités géographiques,
perceptibles dans les cartes météo et hydrographiques.
Les besoins en eau à l’échelle de la planète
L’eau et les organismes vivants :
- mammifères : 65% d’eau.
- les plantes : jusqu’à 95% d’eau
La quantité d’eau contenue dans les êtres vivants est estimée à 400 km3.
Les végétaux
L’eau est le vecteur de la croissance, donc de la production de matière sèche : 200 à 600 L
nécessaires pour élaborer 1 kg de matière sèche.
Les besoins d’eau pour la photosysntèse sont estimés à 650 km3 / an.
Les végétaux prélèvent l’eau atmosphérique directement, ou puisent dans le sol.
Les animaux
Ils prélèvent l’eau dans la boisson et les aliments.
L’homme moderne est grand consommateur d’eau : le volume d’eau nécessaire aux usages
domestiques, industriels et agricoles est estimé à 250 m3 / an / habitant.
Les disparités sont considérables :
100 m3 / an / habitantdans les PVD.
1500 m3 / an / habitant aux USA
Les besoins de l’humanité ne cesseront de croître.
Les besoins globaux actuels sont de l’ordre de 1500 km3 / an, ce qui représente une infime
partie des réserves en eau douce.
Mais il est nécessaire de considérer la vulnérabilité des nappes aquifères de surface (les plus
faciles et les moins coûteuses à solliciter) face à la pollution.
D’où l’importance de protéger les réserves d’eau douce, en particulier celles qui sont faciles
d’exploitation ou très exposées aux pollutions.
2. L’eau en France
Les ressources annuelles moyennes en France
Elles corresondent à des précipitations uniformes d’environ 800 mm /an.
Mais elles varient de 200 mm dans quelques contrées du sud-ouest, à plus de 2'000 mm dans
les régions montagneuses.
Tableau : pluviosité annuelle mini, moyenne et maxi en France
Mini
200 mm
Moyenne
800 mm
Maxi
2000 mm

5
L’ensemble du territoire reçoit 440 km3 par an.
Dont 270 km3 (61%) s’évaporent et 170 km3 ruissellent et s’infiltrent.
Ces ressources sont largement excédentaires par rapport aux besoins, mais la pénurie peut-être
observée localement, dans les régions à pluviosité faible ou moyenne, et pendant les périodes
ou de faibles précipitations se conjuguent à une forte consommation (irrigation).
Classement des ressources en eau
Eaux de surface
- fleuves et rivières
- lacs naturels et artificiels
- barrages.
En France, les 3'000 km de cours d’eau principaux représentent un écoulement annuel de 120
km3.
Eaux souterraines
- nappes phréatiques libres ou peu profondes. Donnent souvent naissance à des sources. Elles
sont vulnérables car non protégées par des couches géologiques imperméables.
- nappes captives : nappes souterraines profondes emprisonnées entre 2 couches
imperméables. Les plus protégées. Très exploitées du fait de leur qualité. Renouvellement très
lent. Inutilisable en cas de pollution, jusqu’à disparition de l’agent polluant.
Nécessitent la protection contre l’extraction excessive et la pollution.
En France, 60% de l’eau potable est souterraine.
Les besoins en France
Deux critères caractérisent les besoins
- Les prélèvements qui représentent la totalité de l’eau utitilisée.
- les consommations nettes, qui correspondent à la fraction utilisée, non restituée au milieu
naturel.
Les prélèvements en France
Ils sont évalués à 41,4 km3 / an.
Les consommations nettes en France
Elles sont évalués à 7,9 km3 / an.
Le rapport R = prélèvement / consommation nette
Le rapport R peut varier considérablement selon l’usage qui est fait de la ressource en eau.
Voir le tableau.
Tableau : rapport entre prélèvement et consommation nette dans différentes utilisations
de l’eau
Prélèvements
Consommation nette
R
Agriculture
4,5 km3
2,9 km3
1,55
EDF
21,3 km3
1,5 km3
14,2
Industrie
4,9 km3
0,24 km3
20,2
Eau potable
5,9 km3 km3
0,7 km3
8,4
Autres : mines, canaux, usines hydro-électriques
4,8 km3
2,6 km3
1,8
Chaque usage à un impact différent sur la ressource
Si EDF prélève 5 fois plus que l’agriculture, sa consommation nette est moitié inférieure.
Certaines activités permettent une restitution rapide et importante dans le milieu, sous forme
d’eaux « usées » réchauffées ou seulement déplacées.
L’agriculture, avec un R très bas, consomme 64% de l’eau qu’elle prélève, soit 36% des ces
consommations nettes en été.