Concentrations
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Les <strong>Concentrations</strong>.<br />
<strong>Concentrations</strong> molaires.<br />
Elles sont à utiliser dans toutes les équations d'équilibre. En effet les concentrations molaires sont des grandeurs<br />
thermodynamiques (au même titre que les pressions, ou la température absolue). Elles doivent donc être utilisées<br />
dans toutes les équations qui découlent de la thermodynamique ce qui est le cas des équations d'équilibre.<br />
Elles correspondent au nombre de moles de produit dissous dans l'unité de volume.<br />
Exemple : Concentration molaire d'une solution de 20 mg.L -1 de Calcium de masse molaire : 40 g.mol -1 :<br />
[Ca 2+ ]= = 5.10 -4 mol.Ll -1 .<br />
[Ca 2+ ]=0,5 mmol.L -1 .<br />
<strong>Concentrations</strong> en ppm, ppb.<br />
Les anglo-saxons utilisent fréquemment les concentrations exprimées en ppm et ppb.<br />
1 ppm = 1 partie par million =1 mg.kg -1 1 mg.L -1 .<br />
1 ppb = 1 partie par milliard = 1 mg.t -1 1 μg.L -1 (one billion=un milliard)<br />
<strong>Concentrations</strong> en eq.L -1 et unités dérivées :<br />
<strong>Concentrations</strong> molaires<br />
<strong>Concentrations</strong> en ppm, ppb<br />
<strong>Concentrations</strong> en eq.L -1<br />
Unités dérivées<br />
<strong>Concentrations</strong> rapportées à une espèce<br />
Balance "massique".<br />
111 g de chlorure de calcium se répartissent en 71 g de chlorures et 40 g de calcium : il n'y a pas équilibre des<br />
quantités massiques des anions et des cations.<br />
L'électroneutralité d'une solution comprenant différentes espèces ioniques permet d'écrire une relation du type :<br />
[H + ]+2.[Ca 2+ ]+2.[Mg 2+ ]+[Na + ]+[K + ]=<br />
[OH - ]+2.[CO 3 2- ]+[HCO 3 - ]+[Cl - ]+[NO 3 - ]+2.[SO 4 2- ]<br />
Cette équation exprime l'égalité des charges électriques portées par les cations d'une part, et les anions d'autre<br />
part.
Par exemple nous avons vu qu'une solution de 20 mg.l -1 de calcium est une solution dont la concentration molaire<br />
est : [Ca 2+ ]=0,5 mmol.L -1 . Le nombre de moles de charges électriques élémentaires est : 2x0,5=1 mmol.L -1 . On<br />
peut alors écrire que la concentration en calcium est 1 mmol.L -1 de charges électriques élémentaires.<br />
Si l'on définit une unité appelée équivalent telle que : l'équivalent est égal à 1 mole de charges électriques<br />
élémentaires, l'écriture peut être simplifiée en écrivant :<br />
[Ca 2+ ]=10 -3 eq.L -1 .<br />
On définira le milli-équivalent comme étant égal à 1 mmol de charges électriques élémentaires.<br />
La masse nécessaire pour porter 1 équivalent est fonction de l'espèce ionique. Cette masse s'exprime par la<br />
relation : avec : M x en g.mol -1<br />
et n en eq.mol -1 et est appelée équivalent-gramme.<br />
n : valence de l'ion (unité : nombre de moles de charges électriques élémentaires portées par une mole d'ion :<br />
soit avec la notation proposée eq.mol-1 ),<br />
Mx : masse molaire de l'ion.<br />
Exemple : un équivalent-gramme d'ion sulfate vaut :<br />
=48 grammes par équivalent.<br />
Pour passer des concentrations massiques aux concentrations exprimées en quantité de charges électriques<br />
(eq.L -1 ) il faut donc réaliser deux opérations :<br />
1. Déterminer l'équivalent-gramme de chaque espèce.<br />
2. Diviser la concentration massique par l'équivalent-gramme.<br />
Ex : Equivalent-gramme du calcium : 20 mg.meq -1 ; Concentration massique : [Ca 2+ ]=100 mg.L -1 alors : [Ca 2+ ]=5<br />
meq.L -1 .<br />
Si toutes les concentrations sont exprimées en meq.L -1 la balance ionique de l'eau vue plus haut peut alors<br />
s'écrire :<br />
[H + ]+[Ca 2+ ]+[Mg 2+ ]+[Na + ]+[K + ]=<br />
[OH - ]+[CO 3 2- ]+[HCO 3 - ]+[Cl - ]+[NO 3 - ]+[SO 4 2- ]<br />
L'utilisation de ces unités permet d'écrire plus aisément la relation d'électroneutralité.<br />
Remarque : une solution normale contiendra un équivalent de soluté par litre de solution. Une solution<br />
décinormale contiendra un dixième d'équivalent par litre, ...<br />
Exemples :<br />
Solution normale d'acide chlorhydrique : 36,5 g.L -1 d'HCl (masse molaire : 36,5 g.mol -1 , valence : 1).<br />
Solution normale d'acide sulfurique : 49 g.L -1 (masse molaire : 98 g.mol -1 , valence : 2).<br />
Unités dérivées.<br />
- le degré français : ºf. Il est défini par : 1 ºf= 0,2 meq.L -1 .<br />
- ppm X : Une solution à 1 mg.L -1 de soluté X porte une charge de meq.L -1 .<br />
On peut alors écrire : 1 ppm X = meq.L -1 .
Exemple :<br />
1 ppm CaCO3 = meq.L -1 , soit encore ºf.<br />
Ces unités (ppm CaCO3 , ppm CaO , ppm MgO , ...), sont utilisées parfois par commodité lors de traitements particuliers<br />
de l'eau (décarbonatation à la chaux, reminéralisation, ...).<br />
Exemple : 1ºF correspond à 10 mg.L -1 de CaCO 3 ; 1meq.L -1 correspond à 50 mg.l -1 de CaCO 3 ; etc...<br />
<strong>Concentrations</strong> rapportées à une espèce.<br />
Les produits utilisés en traitement de l'eau peuvent se présenter sous de multiples formes.<br />
Ces produits peuvent :<br />
• s'hydrolyser du fait de la température,<br />
• avoir des formulations différentes pour les mêmes concentrations en "produit actif".<br />
Il est donc nécessaire d'avoir un langage commun au fabricant de produit, au législateur, à l'utilisateur, ...<br />
Ainsi par exemple pour les EDCH, la concentration maximale en phosphore est de 5 mg.L -1 exprimé en P 2 O 5<br />
(anhydride phosphorique ou pentoxyde de phosphore).<br />
Une mole de P 2 O 5 à une masse de 142 g et contient 2 moles de P. Cette concentration limite en phosphore<br />
correspond donc à : mmol.L -1 de P.<br />
Soit : mg.L -1 (2,18 mg.l -1 ) de phosphore exprimé en P.<br />
Dénomination Masse molaire Formulation<br />
Phosphore 31 g.mol -1 P<br />
Phosphate trisodique<br />
anhydre<br />
Phosphate trisodique<br />
hydraté<br />
164 g.mol -1 Na 3 PO 4<br />
380 g.mol -1 Na 3PO 4 ,12<br />
H 2 O<br />
Phosphate disodique 140 g.mol -1 Na 2 HPO 4<br />
Anhydride phosphorique<br />
ou pentoxyde de<br />
phosphore<br />
142 g.mol -1 P 2 O 5<br />
Ion orthophosphate 95 g.mol -1 PO 4<br />
3-<br />
Balance "ionique".<br />
La même quantité que précédemment apporte autant de charges électriques aux chlorures qu'il y en a de moins<br />
au calcium.<br />
L'électroneutralité exprime cette constatation.