Chapitre 34 – Mécanismes de la pollution chimique

PRODUCTEUR PLUS
Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D.
Chapitre 34
MÉCANISMES DE
LA POLLUTION CHIMIQUE
lieu dans les sols. Comme point de départ, revoyons la liste
des actions et réactions chimiques principales. Bon nombre
des processus chimiques mentionnés ont été expliqués précédemment.
INTRODUCTION
Dans les deux derniers chapitres, je mentionnais que la
matière organique est la championne de la pollution de
l'environnement, qu'elle contient et produit des milliers de
produits chimiques très diversifiés. Mais quels sont les mécanismes en jeu? Comment se produisent ces composés chimiques? Comment agissent-ils? Puisque la pollution est si
complexe, il faut s’y attaquer en nuances, procéder par éliminations et poser des centaines ou des milliers de questions.
FACTEURS DE SOLUBILITÉ
Pour polluer chimiquement l'environnement, l'eau doit
contenir des produits chimiques en solution. Ces produits
sont, soit présents dans l'eau au départ, soit extraits du sol par
dissolution, ou ajoutés par la nature ou par les humains. Les
quantités dissoutes de ces produits dépendent de plusieurs
facteurs qui affectent d'une façon changeante la solubilité.
Parfois, l'agent principalement responsable de ces changements est la nature même de l'élément polluant, le diamètre
de l'atome, ou le mécanisme qui rattache l'atome à la molécule. En plus, la quantité totale de cet élément dans le milieu,
ainsi que la concurrence d'autres éléments, affectent aussi la
sorte et le degré de la pollution. Ajoutons à cela les variations
de pH (16, 17), de température, de sortes de sols, du degré d'humidité et j'en passe.
LES MÉCANISMES CHIMIQUES
Les mécanismes chimiques discutés ci-après couvrent
particulièrement ceux de la pollution des eaux et des sols, des
sujets traités dans les chapitres 28 à 33 inclusivement. Tous
les mécanismes de la chimie obéissent au principe fondamental de cette science : Rien ne se perd, rien ne se crée. On produit
des changements seulement. En nature, tout est en évolution
continuelle. Dès que change une condition du système écologique pris dans son ensemble, tout le reste du milieu
s'ajuste en conséquence. Ceci crée des excès d'un produit aux
dépens d'un autre. Ces excès ne sont jamais permanents, mais
peuvent durer très longtemps. Aussitôt, le reste du milieu
commence à réagir. S'il y a changement dans le milieu écologique, les réactions chimiques seront également modifiées
dans leur nature, leur vitesse et leur intensité de réaction.
Existe-t-il dans le monde, un système plus compliqué que le
milieu écologique? Tout le volume de Hugh McBride, Environmental chemistry of soils (R5), explique et discute les mécanismes de centaines de réactions et actions chimiques qui ont
Autrement dit, le même élément peut être plus ou
moins polluant selon les conditions où il se trouve. Il est donc
essentiel d'expliquer en termes simples les bases scientifiques
responsables de toutes ces variations dans les niveaux de pollution chimique de l'eau et des sols.
LA STRUCTURE ATOMIQUE
Chaque composé chimique a un facteur spécifique de
solubilité. Pourquoi le sodium (Na) du sel de cuisine se dis-
Figure 34.3
L'eau de ce cours d'eau transporte
d'innombrables molécules de produits utilisés comme pesticides ou
herbicides. Si elles ne sont pas
décomposées dans un certain laps
de temps, elles peuvent polluer.
99
PRODUCTEUR PLUS
Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D.
Chapitre 34
sout-il plus rapidement dans l'eau que le calcium (Ca) ou le
potassium (K)? C'est que chaque élément est un atome avec
une dimension et une structure spécifiques qui contrôlent sa
solubilité. Moins il y a d'électrons négatifs libres, et moins il y
a de pelures qui grossissent l'atome, plus l'élément est soluble
dans l'eau. En plus, les assemblages de ces ions en molécules
compliquées modifient de nouveaux les facteurs de solubilité.
Le chapitre 33 a présenté en gros plan le phénomène de l'hydrolyse. Cette fois, j'explique les principes fondamentaux qui
régissent la dissolution des composés dans l'eau. Tous les éléments chimiques sont prêts à réagir avec d'autres si leurs
atomes sont ionisés (ions) ou électrifiés. Pour être électrifiés,
les électrons doivent être en déséquilibre les uns envers les
autres.
L'atome est la plus petite entité indépendante et organisée physiquement de l'univers. Chaque atome ressemble
au système solaire avec un noyau au centre et des satellites
qui tournent autour. Le centre correspond au soleil. Il est
constitué de protons avec des charges électriques positives
actives et des neutrons, qui sont neutres mais susceptibles de
devenir des protons. Autour du soleil formé de protons gravitent des électrons chargés d'électricité négative, que les protons attirent. Ils suivent des trajectoires autour des protons
comme la terre et les autres astres le font autour du soleil.
Comme les astres, les électrons négatifs gravitent à des distances différentes du noyau central. Ils forment alors des
sphères autour du noyau, qui sont superposées les unes aux
autres comme les pelures superposées d'un oignon. Chaque
pelure a un réseau de satellites fixé d'avance par la nature.
C'est ce qui fait que du sodium (Na) ne peut pas être du calcium (Ca), ou du cuivre (Cu) être du fer (Fe), et que chaque élément a ses propriétés particulières. Donc, le nombre
d'électrons électronégatifs est prédéterminé sur une pelure à
une distance également prédéterminée, ce qui établit son facteur de solubilité. Par exemple, l'atome le plus petit n'a qu'une
seule pelure et celle-ci ne peut contenir que 2 électrons négatifs au maximum. S'il y a plus d'électrons, il faut rajouter une
autre pelure. Le plus petit atome n'a qu'un proton positif et
un électron négatif, avec une seule pelure, c'est l'hydrogène
(Figure 34.1).
électrons dont 2 sont sur la première pelure et les 6 autres sur
la seconde. Pour atteindre le nombre stable de 8 électrons sur
la deuxième pelure, il lui manque 2 charges négatives, c'està-dire 2 électrons. Donc, on l'écrit O=. S'il y a 2 atomes d'hydrogène tout près, chacun ira placer son électron négatif sur
la deuxième pelure de l'oxygène, pour atteindre le niveau de
stabilité de 8 électrons dans la deuxième pelure afin d'équilibrer les 8 protons positifs de cette deuxième pelure (Figure 34.2).
Ceci est la formule chimique de l'eau.
L'élément inerte qui ne réagit pas chimiquement, parce
que sa deuxième pelure est saturée de 8 électrons, est le gaz
néon (Ne). La troisième pelure peut contenir un maximum de
8 électrons également. Il y a 7 pelures en tout, avec un nombre d'électrons qui va en augmentant, jusqu'à atteindre 32 sur
la sixième pelure et se terminer avec 23 sur la septième, pour
un total de 109 éléments connus.
En plus du nombre d'électrons négatifs libres qui affectent la solubilité d'un élément dans l'eau, il y a sa dimension
qui l'affecte aussi. Par exemple, le sodium Na+ avec un numéro atomique de 11 est plus soluble que le potassium K+
dont le numéro est 19. Pourtant, les deux ions ont un seul
électron négatif disponible. C'est que le sodium Na+ a son
électron négatif sur une troisième pelure tandis que le potassium K+ a le sien sur une quatrième pelure. Donc il est plus
gros, et par conséquent moins soluble.
Le facteur de solubilité dans l'eau est le nombre de
charges négatives disponibles sur la même pelure pour réagir.
Le sodium Na+, avec un numéro atomique de 11, est plus soluble dans l'eau que le magnésium Mg++ qui a un numéro
atomique de 12, avec deux électrons négatifs sur la troisième
et même pelure que le sodium Na+. Par contre le calcium
Ca++, qui a également deux électrons négatifs, est aussi
moins soluble que le magnésium Mg++ parce que son numéro atomique est 20. Donc, les deux électrons sont situés
C'est pourquoi l'hydrogène est le plus actif des atomes
qui réagissent avec tous les atomes qui recherchent un électron à ajouter sur une pelure. Deux atomes d'hydrogène peuvent donc s'unir pour avoir une première pelure équilibrée,
ce qui donne du H2. Par contre, le seul autre élément qui n'a
qu'une pelure autour de son noyau de deux protons positifs
et qui contient 2 électrons négatifs s'appelle hélium (He) (Figure
34.1). C'est un gaz stable, inerte, plus léger que l'air, parce que
la première pelure sature les deux protons positifs et équilibre
ainsi les deux électrons négatifs. Il ne peut réagir avec aucun
autre élément parce que la seule pelure d'électrons qu'il possède est saturée.
Pourquoi une molécule d'eau est-elle du H2O? Parce que
l'oxygène (O) a deux pelures. La seconde peut contenir un
maximum de 8 électrons négatifs. L'oxygène (O) a, en tout, 8
100
Figure 34.1
Croquis A
H2
H+
P
e
e
P
He
e
e
P
e
P
Figure 34.2
Une molécule d’eau
H+
P
e
e
e
P Protons
e Électrons
Pelure
H+
e
P
e
Légende :
O=
e
e
e
P
= H20
PRODUCTEUR PLUS
Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D.
Chapitre 34
sur une quatrième pelure. L'aluminium Al+++ a un numéro
atomique de 13, avec 3 pelures, comme le sodium Na+, mais
est beaucoup moins soluble que ce dernier parce qu'il a 3
électrons négatifs à insérer sur d'autres atomes. Il peut aussi
recevoir 5 électrons négatifs d'autres ions pour compléter son
chiffre de 8 électrons dans la troisième pelure. Il s'indique alors
Al-----, à qui il manque 5 électrons négatifs. Enfin, des éléments comme le carbone C++++, qui a un numéro atomique
de 6 avec 4 électrons disponibles dans la seconde pelure, et
le silicium, dont le numéro atomique est 14, avec 4 électrons
disponibles cette fois sur la troisième pelure, sont peu solubles
dans l'eau parce que chacun peut donner ou recevoir 4 électrons négatifs pour obtenir une pelure équilibrée de 8 électrons. Le carbone a 2 pelures et forme des produits très
stables, qui sont combustibles. Le silicium peut également
donner ou recevoir 4 électrons négatifs, cette fois sur la troisième pelure. Il est encore plus stable que le carbone parce
qu'il brûle très difficilement. Il est la base des grains de sable.
Ceci explique pourquoi, après des centaines de millions d'années, des millions de tonnes de sodium Na+ ont été dissoutes,
combinées au chlore Cl-, et transportées par les eaux de surface dans les océans dont l'eau est salée, et nous ont laissé
des résidus sableux, souvent enfouis, que l'on exploite comme
les mines de sels de phosphates, de potassium, etc.
LES LIENS CHIMIQUES
Aux facteurs précédents, qui contrôlent en partie la solubilité des éléments dans l'eau, s'ajoutent les types d'unions
entre ces éléments, pour former une molécule de produit chimique. Je ne mentionnerai que les 3 liens principaux: le lien
ionique, le covalent, et le dipolaire.
Le lien ionique est le plus connu et le plus courant entre
deux ions d'éléments différents. Le sodium Na+, qui a un électron négatif à donner, réagit rapidement avec du chlore Cl- à
qui il manque un lien ionique pour former du chlorure de sodium ClNa. C'est notre sel de cuisine. Il est très soluble.
Le lien covalent est le plus puissant. Il domine dans les
composés organiques, faits surtout de carbone C++++ ou de
Si++++. Cette fois, chaque ion partage le lien avec l'autre ion,
de sorte que l'on a deux attaches pour chaque lien entre les
deux éléments, au lieu d'un seul. C'est le genre de lien qui
donne les composés organiques stables et généralement peu
solubles dans l'eau. A titre d'exemple, le CO2 qui unit un ion
de carbone C++++ avec 2 ions d'oxygène est stable et peu
soluble dans l'eau (O=C=O=) ou CO2. C'est pourquoi le CO2
que l'on injecte sous pression dans le liquide d'une boisson
gazeuse s'échappe quand on décapsule la bouteille. Les molécules de CO2 s'étaient comprimées pour se loger entre les
molécules d'eau, sans s'y dissoudre. Dès que la pression atmosphérique normale est rétablie en ouvrant la bouteille, les
molécules du gaz CO2 s'échappent. Les composés organiques, faits principalement de carbone C++++, le charbon,
les produits pétroliers et les plastiques, sont aussi peu solubles
dans l'eau, pour ces raisons. Les mêmes explications s'appliquent aux composés avec le silicium, (O=Si=O=) ou SiO2, le
sable.
Enfin, le lien dipolaire est le plus faible des trois. Il résulte
d'un déséquilibre électrique entre les atomes d'une même
molécule. Les charges oscillent les unes entre les autres sans
arrêt, mais il reste toujours une place disponible pour s'unir
chez un voisin, puis le relâcher, le reprendre, et ainsi de suite.
Les produits chélatés décrits au chapitre 2 ont ce genre de lien
dipolaire. Beaucoup de ces produits sont utilisés dans la fabrication d'herbicides ou d'insecticides ainsi que pour solubiliser des éléments peu solubles comme le fer et le cuivre pour
les rendre disponibles pour les plantes.
Beaucoup de molécules de produits utilisés comme pesticides ou herbicides dépendent des réactions dipolaires pour
s'accrocher au sol tout en demeurant facilement solubles,
donc disponibles dans l'eau afin d'exercer leurs fonctions. Par
conséquent, si ces molécules ne sont pas décomposées dans
un certain laps de temps, elles peuvent polluer. Le cas du
phosphore P---, pollueur (13) dans les engrais organiques, est
un cas classique. Accroché aux molécules organiques par dipolarité, il pollue. Uni par lien ionique dans les engrais minéraux, il ne pollue pas. On peut dire la même chose de l'arsenic,
que l'on a utilisé longtemps comme insecticide contre les doryphores de la pomme de terre. On le mélangeait à la bouillie
bordelaise, employée comme fongicide. L'atome d'arsenic As-- est à court de 3 électrons comme le phosphore, mais sur
une quatrième pelure, au lieu de la troisième pour ce dernier.
Une fois dissout, l'arsenic As--- pouvait développer des liens
dipolaires avec les substances organiques et aggraver les dangers de pollution possible de l'eau du sol et de son absorption
possible par les plantes, comme si c'était du phosphore.
AUTRES MÉCANISMES
On peut ajouter toute une série d'autres mécanismes
pour solubiliser des éléments chimiques dans le sol. Certains,
comme l'hydrolyse, l'oxydation, la réduction, la dégradation
photochimique, ont été décrits dans au chapitre 33. On peut
y ajouter l'hydratation, la polymérisation, la diffusion par
osmose, etc.
L'hydratation est le mécanisme qui fixe une molécule
d'eau sur un composé chimique existant. Ceci le transforme
en hydrate. On peut mesurer la force qui rattache la molécule
d'eau au composé existant par la chaleur qui se dégage en y
ajoutant de l'eau. C'est le phénomène de la chaux vive, l'oxyde
de calcium CaO, qui chauffe l'eau quand on l'hydrate. Elle devient de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2, ou de la chaux
éteinte (18). L'oxyde de sodium Na2O qui reçoit de l'eau réagit
violemment. Il s'hydrate en dégageant instantanément beaucoup plus de chaleur que l'oxyde de calcium, parce qu'il n'a
qu'un électron sur la troisième pelure alors que le calcium
Ca++ a deux électrons disponibles sur la quatrième pelure.
Une autre indication que plus un ion est petit et plus le nombre d'électrons disponibles est faible, plus il est actif.
La polymérisation est le phénomène des molécules qui
s'attachent les unes aux autres, souvent par lien covalent. Les
produits sont stables et généralement moins solubles dans
l'eau que chacun des produits constituants pris séparément.
101
PRODUCTEUR PLUS
Les sols et l'agriculture, Gérard Millette Ph.D.
Chapitre 34
Enfin, la diffusion par osmose a été discutée au chapitre
31 pour montrer la protection dérisoire que nous offre le tapissage des dépotoirs avec une couche d'argile.
POISON OU MÉDICAMENT?
Enfin, il y a les limites de tolérance que possèdent les humains envers les produits chimiques. Où se situe la limite de
chacun ? Pendant plusieurs décennies, les médecins ont recommandé le calomel, du chlorure de mercure, comme médicament pour purger et/ou pour activer la sécrétion de la bile
chez les patients. Aujourd'hui on s'affole de la pollution au
mercure ! Il y a 40 ans, on utilisait en Europe l'arsenic As--- pour
détruire les amibes dans les intestins des humains, mais on
s'en servait aussi comme poison à rats. Pendant des décennies
on a ajouté du fluor à l'eau de consommation de nombreuses
villes américaines, pour améliorer la qualité des dents des enfants. Ceci s’est avéré une pollution à cause des effets secondaires imprévus. Une étude survenue 25 ans plus tard révélait
que les cas d'ostéoporose étaient 50 % plus élevés dans les
villes où on avait ajouté du fluor F- à l'eau potable.
AUTRES COMPLICATIONS
On doit réaliser que toutes les conditions et réactions
chimiques décrites et discutées précédemment subissent en
plus les changements de conditions environnementales. Ceci
comprend les changements de pH dus au chaulage ou à l'apport de substances acidifiantes, les changements de température, de concentrations des composés chimiques, et les
effets des nouveaux composés que les déchets organiques
ajoutent au sol continuellement. Par exemple, en février 2000,
le mensuel québécois "Protégez-vous" rapportait que des
suppléments naturels préparés à partir d'algues bleu-vert,
pour renforcer le système immunitaire, etc., contenaient de la
microcystine. Cette toxine s'accumule dans le foie, causant
des lésions irréversibles. Le gouvernement du Canada hésite
à en interdire la vente parce la production de la microcystine
en nature est imprévisible. Elle varie continuellement en fonction de l'exposition de la plante au soleil pendant sa croissance.
La nature et la quantité de composés polluants dans
l'eau et le sol sont presque imprévisibles, à quelque moment
spécifique que ce soit. Plus on ajoute des mélanges organiques au sol, plus on augmente la quantité et les variétés de
polluants potentiels. Il n'y a rien de plus polluant que l'agriculture organique. Déjà, les résidus abondants de plantes en
décomposition apportent leur cocktail de produits chimiques.
Pourquoi faut-il y ajouter des fumiers, des lisiers, des composts, etc.?
Les 4 300 dépotoirs officiels polluent déjà partout au
Québec. On bannit les incinérateurs (31). Aucun règlement
simpliste ne résoudra le problème de la pollution chimique
due à l'agriculture. Les résidus de récoltes polluent naturellement. N'y ajoutons pas d'autres ingrédients pour "améliorer"
le cocktail! Bannissons la fertilisation de sources organiques
d'abord. Il sera possible ensuite, pour réduire la pollution chimique, de cibler de la recherche sur des sources spécifiques
de pollution provenant de résidus. Cette recherche devra
identifier quels produits polluent en rapport avec la source
complexe de ces produits, le degré variable de décomposition, les variations du milieu écologique, les pH variables, les
températures, l'humidité et les variations de sols, de perméabilité, de pouvoirs de rétention, etc.
Figure 34.4
Phénomène courant, pour un
producteur agricole que ce limon
accumulé en bordure de fossé.
Que contient-il précisément ?
102