oxyde d’hydrogène (H2O), le plus simple composé chimique d’hydrogène et d’oxygène (11,19 pour cent d’hydrogène et 88,81 pour cent d’oxygène en poids) qui est stable dans des conditions standard. Poids moléculaire : 18,0160. Liquide incolore, inodore et insipide (l’eau profonde a une couleur bleutée).
L’eau a joué un rôle crucial dans l’histoire géologique de la terre, dans l’origine de la vie et dans la formation de l’environnement physique et chimique, du climat et de la météo de notre planète. Les organismes vivants ne pourraient pas exister sans eau. Elle est un composant essentiel de presque tous les processus technologiques, tant dans l’agriculture que dans l’industrie.
L’eau dans la nature. L’eau est très répandue dans la nature. L’hydrosphère, qui est l’enveloppe d’eau de la terre et qui comprend les océans, les mers, les lacs, les réservoirs, les rivières, les eaux souterraines et l’humidité du sol, contient environ 1,4 à 1,5 milliard de km3, dont environ 90 millions de km3 d’eau terrestre. L’eau souterraine représente 60 millions de km3, les glaciers 29 millions, les lacs 0,75 million, l’humidité du sol 75 000 et les rivières 1 200. L’eau existe dans l’atmosphère sous forme de vapeur, de brouillard, de nuages, de gouttes de pluie et de cristaux de neige, pour un total d’environ 13 000 à 15 000 km3. Les glaciers occupent en permanence environ 10 % de la surface terrestre. Dans le nord et le nord-est de l’URSS, en Alaska et dans le nord du Canada, il y a toujours une couche souterraine de glace sur une superficie moyenne d’environ 16 millions de km2 (soit un total d’environ 0,5 million de km3). Selon diverses estimations, la croûte terrestre – la lithosphère – contient 1 à 1,3 milliard de km3 d’eau, ce qui est proche de la teneur en eau de l’hydrosphère. Dans la croûte terrestre, une quantité considérable d’eau est liée en tant que composant de certains minéraux et roches minérales (gypse, formes hydratées de silice, hydrosilicates, etc.). De grandes quantités d’eau (13-15 milliards de km3) sont concentrées dans les régions plus profondes du manteau terrestre. L’eau dégagée par le manteau au cours du processus de réchauffement de la terre aux premiers stades de sa formation a été responsable, selon les vues contemporaines, de la formation de l’hydrosphère. Le revenu annuel de l’eau du manteau et des lits magmatiques est d’environ 1 km cube. Certaines données indiquent que l’eau est, au moins en partie, d’origine « cosmique » : les protons qui arrivent du soleil dans la haute atmosphère et attirent les électrons se transforment en atomes d’hydrogène qui, en s’unissant aux atomes d’oxygène, donnent H2O. L’eau est un composant de tous les organismes vivants, qui contiennent ensemble moitié moins d’eau que tous les fleuves de la terre. La quantité d’eau dans les organismes vivants, à l’exception des graines et des spores, varie entre 60 et 99,7 % en poids. Pour reprendre les termes du biologiste français E. Du Bois-Reymond, un organisme vivant est de l’eau animée. Toute l’eau de la terre s’entremêle et circule en permanence dans l’atmosphère, la lithosphère et la biosphère.
Dans les conditions naturelles, l’eau contient toujours des sels dissous, des gaz et des substances organiques. Leur com-position quantitative varie en fonction de la source de l’eau et des conditions environnementales. Une eau dont la concentration en sel est inférieure à 1 g/kg est considérée comme douce ; jusqu’à 25 g/kg, elle est considérée comme légèrement salée ; et au-delà de 25 g/kg, elle est considérée comme de l’eau salée.
L’eau ayant la plus faible teneur en minéraux provient des précipitations atmosphériques (en moyenne, environ 10-20 mg/kg) ; la suivante (50-1 000 mg/kg) se trouve dans les lacs et les rivières d’eau douce. La teneur en sel de l’océan varie autour de 35 g/kg ; les mers ont une teneur en minéraux plus faible (la mer Noire, 17-22 g/kg ; la mer Baltique, 8-16 g/kg ; et la mer Caspienne, 11-13 g/kg). La teneur en minéraux des eaux souterraines proches de la surface, dans des conditions d’humidité excessive, peut atteindre 1 g/kg ; dans des conditions arides, elle atteint 100 g/kg ; et dans les eaux profondes, la minéralisation varie dans une large gamme. La concentration maximale de sels se trouve dans les lacs salés (jusqu’à 300 g/kg) et dans les eaux souterraines profondes (environ 600 g/kg).
Les ions de HCO3-, Ca2+ et Mg2+ prédominent généralement dans l’eau douce. Lorsque la teneur totale en minéraux augmente, la concentration de SO42-, Cl-, Na+ et K+ augmente. Dans les eaux à forte teneur en minéraux, les ions Cl- et Na+ prédominent ; moins fréquemment Mg2+, et très rarement Ca2+. D’autres éléments sont présents en très petites quantités, mais presque tous les éléments naturels du système périodique se retrouvent dans l’eau native.
Les gaz dissous dans l’eau native comprennent l’azote, l’oxygène, le dioxyde de carbone, les gaz nobles, et rarement le sulfure d’hydrogène et les hydrocarbures. La concentration de substances organiques est faible : en moyenne dans les rivières, elle est d’environ 20 milli-grammes par litre (mg/l) ; dans les eaux souterraines, elle est encore plus faible, et dans l’océan, elle est d’environ 4 mg/l. Les eaux des marais et des gisements de pétrole et les eaux polluées par les eaux usées industrielles et domestiques, qui présentent une concentration plus élevée de substances organiques, constituent une exception. La composition qualitative des substances organiques est extrêmement variée et comprend divers produits de l’activité vitale des organismes habitant l’eau et les composés formés lors de la décomposition de leurs restes.
Les sels de l’eau native ont pour origine des substances formées lors de l’altération chimique des roches ignées (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, etc.) et des substances rejetées par l’intérieur de la terre au cours de son histoire (CO2, SO2, HCl, NH3, et autres). La composition de l’eau dépend de la composition diverse de ces substances et des conditions dans lesquelles elles ont réagi avec l’eau. Les effets des organismes vivants ont également une importance considérable sur la composition de l’eau.
Composition isotopique. En raison de l’existence de deux isotopes stables de l’hydrogène (JH et 2H, habituellement désignés par H et D) et de trois de l’oxygène 16O, 17O et 18O, on connaît neuf formes isotopiques de l’eau. On les trouve dans la nature dans les proportions moyennes suivantes (en pourcentage moléculaire) : H216O, 99,73 ; H217O, 0,04 ; H218O, 0,20 ; et HD16O, 0,03 ; ainsi que 10-5 à 10-15 pour cent (total) de HD17O, HD18O, D216O, D217O, et D218O. L’eau lourde, D2O, qui contient du deutérium, présente un intérêt particulier. Dans toute l’eau de la terre, il n’y a que 13 à 20 kg d’eau « super lourde », contenant un isotope radioactif d’hydrogène-tritium (3H, ou T).
Informations historiques. En raison de sa large distribution et de son rôle dans la vie humaine, l’eau a longtemps été considérée comme la source de la vie. La notion des philosophes de l’Antiquité selon laquelle l’eau était à l’origine de toutes choses s’est reflétée dans la théorie d’Aristote (quatrième siècle avant J.-C.) des quatre éléments (feu, air, terre et eau), selon laquelle l’eau était considérée comme le support du froid et de l’humidité. Le concept de l’eau comme élément chimique unique a perduré dans la science jusqu’à la fin du 18e siècle. En 1781-82, le scientifique anglais H. Cavendish a synthétisé de l’eau pour la première fois en faisant exploser un mélange d’hydrogène et d’oxygène avec une étincelle électrique. En 1783, le scientifique français A. Lavpisier a répété ces expériences et, pour la première fois, a tiré la conclusion correcte que l’eau est un composé d’hydrogène et d’oxygène. En 1785, Lavoisier, en collaboration avec le scientifique français J. Meusnier, a déterminé la composition quantitative de l’eau. En 1800, les scientifiques anglais W. Nicholson et A. Carlisle ont séparé l’eau en ses éléments au moyen d’un courant électrique. Ainsi, l’analyse et la synthèse de l’eau ont révélé sa composition complexe et ont permis de déterminer sa formule, H2O. L’étude des propriétés physiques de l’eau avait déjà commencé avant la détermination de sa composition, en liaison étroite avec d’autres problèmes scientifiques et techniques. En 1612, le scientifique italien Galilée a attiré l’attention sur la densité plus faible de la glace par rapport à l’eau liquide pour expliquer la flottabilité de la glace. En 1665, le scientifique néerlandais C. Huygens a proposé d’adopter les températures d’ébullition et de fusion de l’eau comme points de référence pour une échelle thermométrique. En 1772, le physicien français Deluc a constaté que la densité maximale de l’eau se situe à 4° C ; avec l’établissement du système métrique des poids et mesures à la fin du 18e siècle, cette observation a été utilisée pour définir l’unité de masse et de poids, le kilogramme. En même temps que l’invention de la machine à vapeur, les scientifiques français D. Arago et P. Dulong (1830) ont étudié la dépendance de la pression de la vapeur d’eau saturée par rapport à la température. Au cours de la période allant de 1891 à 1897, D. I. Mendeleïev a dérivé les formules de la dépendance de la densité de l’eau à la température. En 1910, le scientifique américain P. Bridgman et le scientifique allemand G. Tammann ont découvert certaines modifications polymorphes de la glace à haute pression. En 1932, les scientifiques américains E. Washburn et H. Urey ont découvert l’eau lourde. Les progrès des méthodes physiques de recherche ont permis des avancées substantielles dans l’étude de la structure des molécules d’eau et de la structure des cristaux de glace. Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont dé-voilé une attention particulière à la structure de l’eau liquide et des solutions aqueuses.
Propriétés physiques et structure. Les constantes physiques les plus importantes de l’eau sont indiquées dans le tableau 1. (Voir l’article VAPEUR D’EAU concernant la pression de la vapeur d’eau saturée à différentes températures. Voir l’article ICE concernant les modifications polymorphes de l’eau à l’état solide). Le point triple de l’eau, auquel l’eau liquide, la glace et la vapeur d’eau sont en équilibre, se produit à une température de 0,01° C et à une pression de 6,03 x 10-3 atmosphères.
Plusieurs propriétés physiques de l’eau présentent des irrégularités substantielles. Comme on le sait, les propriétés d’un type de com-pound avec des éléments du même groupe dans le système périodique de Mendeleïev varient de façon régulière. Dans la rangée des composés de l’hydrogène avec les éléments du groupe VI (H2Te, H2Se, H2S et H2O), les points de fusion et d’ébullition
ne deviennent plus bas que pour les trois premiers ; pour l’eau, le point de fusion et le point d’ébullition sont anormalement élevés. La densité de l’eau augmente normalement dans l’intervalle de 100° à 4° C, comme pour la grande majorité des autres liquides. Toutefois, après avoir atteint une valeur maximale de 1,0000 g/cm3 à 3,98° C, la densité diminue lors d’un refroidissement ultérieur et chute brusquement lors de la congélation, alors que dans la plupart des autres substances, la cristallisation s’accompagne d’une augmentation de la densité. L’eau est capable d’une surfusion considérable, c’est-à-dire qu’elle peut rester à l’état liquide en dessous du point de fusion (même à -30° C). La chaleur spécifique, la chaleur de fusion et la chaleur de vaporisation de l’eau sont anormalement élevées par rapport à d’autres substances, et la chaleur spécifique est minimale à 40° C. La viscosité de l’eau diminue plutôt que d’augmenter avec une augmentation de la pression, comme on pourrait s’y attendre par analogie avec d’autres liquides. La compressibilité de l’eau est extrêmement faible et diminue avec une augmentation de la température.
Les anomalies des propriétés physiques de l’eau sont dues à la structure de ses molécules et aux particularités des interactions intermoléculaires dans l’eau liquide et dans la glace. Les trois noyaux d’une molécule d’eau forment un triangle isocèle, avec les protons à la base et l’oxygène au sommet (figure l,a). La distribution de la densité électronique dans la molécule d’eau est telle (figure 1 ,b et c) que quatre pôles de charge sont créés : deux positifs, associés aux atomes d’hydrogène, et deux négatifs, associés aux nuages électroniques des paires d’électrons non partagés sur l’atome d’oxygène. Les quatre pôles de charge sont situés aux angles d’un tétraèdre (figure l, d). En raison de cette polarité, l’eau a un grand moment dipolaire (1,86 D), et les quatre pôles de charge permettent à chaque molécule d’eau de former quatre liaisons hydrogène avec ses molécules voisines (identiques) – par exemple, dans les cristaux de glace.
La structure cristalline de la glace ordinaire est hexagonale (voir figure 2). Elle est « lâche » et contient de nombreux « trous ». (Si les molécules d’eau étaient densément « emballées » dans les cristaux de glace, la densité serait d’environ 1,6 g/cm3). Dans l’eau liquide, les liaisons inhérentes à la glace entre les molécules de H2O et leurs quatre voisines (« ordre à courte portée ») sont préservées dans une large mesure ; cependant, la « souplesse » de la structure diminue lors de la fusion, et les molécules d' »ordre à longue portée » tombent dans les « trous », ce qui entraîne une augmentation de la densité. En chauffant davantage, le mouvement thermique des molécules augmente et la distance entre elles s’accroît, c’est-à-dire que l’eau se dilate. Cette expansion est déjà prédominante à 3,98° C, et la densité de l’eau diminue donc avec l’augmentation de la température. Les liaisons hydrogène sont environ dix fois plus fortes que les liaisons causées par les interactions intermoléculaires caractéristiques de la majorité des autres liquides ; ainsi, la fusion, l’évaporation et le chauffage de l’eau nécessitent beaucoup plus d’énergie que dans le cas des autres liquides, ce qui explique les valeurs anormalement élevées des chaleurs de fusion et de vaporisation et de la chaleur spécifique de l’eau. Les liaisons hydrogène se rompent lors d’une augmentation de la température, mais un certain nombre d’entre elles sont conservées même à 100° C. L’eau dissoute dans les solvants organiques est composée d’agrégats (H2O)2, qui se forment grâce aux liaisons hydrogène.
L’eau comme solvant. L’eau est le solvant universel. Les gaz se dissolvent assez facilement dans l’eau s’ils sont capables d’entrer en interaction chimique avec elle (ammoniac, sulfure d’hydrogène, dioxyde de soufre et dioxyde de carbone). D’autres gaz ne sont pas facilement solubles dans l’eau. Avec une diminution de la pression et une augmentation de la température, la solubilité des gaz dans l’eau diminue. À basse température et à haute pression, de nombreux gaz (argon, krypton, xénon, chlore, sulfure d’hydrogène, hydrocarbures et autres) non seulement se dissolvent dans l’eau mais forment également des hydrates cristallins. En particulier, le propane à 10° C et à 0,3 mégawton par mètre carré (MN/m2), ou 3 kilogrammes-force par cm carré (kgf/cm2), donne l’hydrate cristallin C3H8-17H2O. Ces hydrates se décomposent avec une diminution de la pression. Les hydrates cristallins formés à basse température à partir de nombreuses substances gazeuses contiennent de l’eau dans les « trous » de leurs cristaux (composés dits clathrates ou complexes d’inclusion).
L’eau est un électrolyte faible, se dissociant selon l’équation H2O 
H+ + OH-, dans laquelle la production d’ions sert d’indicateur quantitatif de la dissociation électrolytique : Kw = , où et sont les concentrations des ions respectifs en gramme ion par litre ; Kw est de 10-14 à 22° C et de 72 x l0-14 à 100° C, ce qui correspond à une augmentation de la dissociation avec l’augmentation de la température.
Parce qu’elle est un électrolyte, l’eau dissout de nombreux acides, bases et sels minéraux. De telles solutions conduisent le courant électrique en raison de la dissociation des substances dissoutes avec la formation d’ions hydratés (hydratation). De nombreuses substances entrent dans une réaction d’échange avec l’eau lorsqu’elles y sont dissoutes ; c’est ce qu’on appelle l’hydrolyse. Les substances organiques qui contiennent des groupes polaires (-OH, -NH2, -COOH et autres) et dont le poids moléculaire n’est pas trop élevé se dissolvent dans l’eau. L’eau elle-même n’est facilement soluble (ou se mélange bien en toutes proportions) que dans un nombre limité de solvants organiques. Cependant, l’eau est presque toujours présente dans les substances organiques sous forme d’un mélange insignifiant et elle est capable de modifier radicalement les constantes physiques des substances.
L’eau de tout réservoir naturel contient diverses substances, principalement des sels, en solution. En raison du grand pouvoir solvant de l’eau, il est extrêmement difficile de l’obtenir à l’état pur. La conductivité électrique de l’eau sert généralement à mesurer sa pureté. L’eau distillée obtenue à partir d’eau ordinaire – et même le distillat qui a été distillé une seconde fois – a une conductivité électrique 100 fois supérieure à celle de l’eau absolument pure. L’eau la plus pure est produite par synthèse dans des appareils spéciaux, en utilisant de l’oxygène et de l’hydrogène soigneusement purifiés.
Ces dernières années, de nombreuses informations ont été recueillies sur le changement substantiel des propriétés de l’eau industrielle et distillée qui se produit lorsqu’elle passe à travers des champs magnétiques d’une force optimale (très faible) à une vitesse spécifique. Ces changements sont temporaires et disparaissent progressivement et spontanément après 10 à 25 heures. On a constaté qu’après ce « traitement magnétique », l’absorption et les processus de cristallisation des substances dissoutes dans l’eau sont accélérés et que la capacité d’humidification de l’eau et d’autres propriétés changent également. Bien que les explications théoriques de ces phénomènes manquent encore, les principes ont déjà été largement appliqués pour empêcher la formation d’écume dans les chaudières à vapeur et pour améliorer les processus de flottation, d’élimination des matières en suspension dans l’eau, etc.
Formation et dissociation. La formation de l’eau lors de l’interaction entre l’hydrogène et l’oxygène s’accompagne de la libération de 286 kilojoules par mole (kJ/mole), ou 58,3 kilocalories par mole (kcal/mole), de chaleur à 25° C (pour l’eau liquide). La réaction 2H2 O2 = 2H2O se déroule très lentement au-dessous d’une température de 300° C ; au-dessus de 550° C, elle est explosive. La présence d’un catalyseur (par exemple, le platine) permet à la réaction de se produire à des températures ordinaires. Tant la combustion lente de l’hydrogène dans l’oxygène que leur réaction explosive sont des réactions en chaîne, qui ont lieu avec la participation de radicaux libres.
Propriétés chimiques. Dans des conditions ordinaires, l’eau est un composé relativement stable. La décomposition des molécules d’H2O (dissociation thermique) ne devient sensible qu’au-dessus de 1500° C. La décomposition de l’eau a lieu à la fois sous l’action des rayonnements ultraviolets et radioactifs (respectivement photodissociation et radiolyse). Dans ce dernier cas, outre H2 et O2, du peroxyde d’hydrogène et de nombreux radicaux libres sont également formés. Une propriété chimique caractéristique de l’eau est sa capacité à entrer dans des réactions d’addition et de dissociation hydrolytique des substances qui réagissent. Les réducteurs agissent sur l’eau principalement à haute température. Seuls les plus actifs d’entre eux, comme les métaux alcalins et alcalino-terreux, réagissent avec l’eau même à température ambiante avec dégagement d’hydrogène et formation d’hydroxydes : 2Na 2H2O = 2NaOH H2 ; Ca 2H2O = Ca(OH)2 H2. Le magnésium et le zinc réagissent avec l’eau bouillante ; l’aluminium réagit avec l’eau lorsque le film d’oxyde a été retiré de sa surface. Les métaux moins actifs réagissent avec l’eau à la chaleur rouge : 3Fe 4H2O = Fe3O4 4H2. La réaction lente de nombreux métaux et de leurs alliages avec l’eau a lieu à des températures ordinaires. En utilisant de l’eau contenant l’isotope 18O de l’oxygène, il a été démontré que lors de la corrosion du fer dans une atmosphère humide, la « rouille » reçoit l’oxygène spécifiquement de l’eau et non de l’air. Les métaux nobles (or, argent, platine, palladium, ruthénium et rhodium), ainsi que le mercure, ne réagissent pas avec l’eau.
L’oxygène atomique transforme l’eau en peroxyde d’hydrogène : H2O + O = H2O2. Le fluor divise également l’eau à des températures ordinaires : F2 + H2O = 2HF O. Simultanément, H2O2, l’ozone, l’oxyde de fluor (F2O) et l’oxygène moléculaire (O2) sont formés. À température ambiante, le chlore et l’eau donnent les acides chlorhydrique et hypochloreux : Cl2 + H2O = HCl+ HClO. Le brome et l’iode réagissent avec l’eau de manière similaire dans ces conditions. A haute température (100° C pour le chlore, 550° C pour le brome) la réaction se déroule avec libération d’oxygène : 2Cl2 2H2O = 4HC1 O2. Le phosphore réduit l’eau et forme de l’acide métaphosphorique (uniquement en présence d’un catalyseur sous pression et à haute température) : 2P 6H2O = 2HPO3 5H2. L’eau ne réagit pas avec l’azote et l’hydrogène, mais avec le carbone, à haute température, elle donne de la vapeur d’eau : C + H2O = CO + H2. Cette réaction peut être utilisée aussi bien pour la production industrielle d’hydrogène que pour la conversion du méthane : CH4 H2O = CO + 3H2 (1200°-1400° C). L’eau réagit avec de nombreux oxydes basiques et acides pour former les bases et les acides correspondants. L’addition d’eau à des hydrocarbures insaturés est à la base de la méthode industrielle de production d’alcools, d’aldéhydes et de cétones. L’eau participe à de nombreux processus chimiques en tant que catalyseur. Par exemple, la réaction des métaux alcalins ou de l’hydrogène avec les halogènes, et de nombreuses réactions d’oxydation, ne se déroulent pas sans la présence de petites quantités d’eau.
L’eau qui est chimiquement liée à une substance dont elle fait partie et qui est indétectable sous forme de H2O est appelée eau de constitution ; les molécules de H2O ne se forment qu’au moment de la décomposition de la substance – par exemple, à la suite d’un fort chauffage : Ca(OH)2 = CaO + H2O. L’eau qui fait partie d’un certain nombre de substances cristallines – par exemple, les aluns d’aluminium, K2SO4 – Al2(SO4)3 – 24H2O – et qui est détectable dans ces cristaux au moyen de la cristallographie aux rayons X est appelée eau de cristallisation ou eau d’hydrate de cristal. L’eau qui est absorbée par des substances solides ayant une porosité élevée et de grandes surfaces (par exemple, le charbon actif) est appelée eau d’adsorption. L’eau libre qui occupe de petits canaux (par exemple, dans le sol) est appelée eau hygroscopique (capillaire). On distingue également l’eau structurellement libre, qui remplit les trous de certaines structures, comme dans les minéraux. Il est possible de détecter l’eau de manière qualitative sous la forme d’un condensat formé lors du chauffage de l’échantillon examiné ; en chauffant tout en pesant l’échantillon, on obtient des résultats quantitatifs (analyse thermogravimétrique). L’eau dans les solvants organiques peut être détectée par coloration avec du sulfate de cuivre incolore qui, ajouté à l’eau, forme l’hydrate cristallin bleu CuSO4-5H2O. Il est souvent possible de séparer et d’analyser quantitativement l’eau par distillation azéotropique de l’eau avec du benzène, du toluène ou un autre liquide sous forme d’un mélange azéotropique ; après la séparation du mélange lors du refroidissement, on mesure le volume de l’eau séparée.
Utilisation dans l’industrie. Il est impossible de penser à une autre substance dont l’utilisation est aussi variée et étendue que celle de l’eau. C’est le réactif chimique qui participe à la production de l’oxygène, de l’hydrogène, des alcalis, de l’acide nitrique, des alcools, des aldéhydes, de la chaux éteinte et de nombreux autres produits très importants. Elle est un composant nécessaire à la prise et au durcissement des matériaux de liaison tels que le ciment, le gypse et la chaux. L’eau est utilisée dans de nombreux processus industriels en tant que composant technologique : dans la cuisson, la mise en solution, la dilution, la lixiviation et la cristallisation. En ingénierie, l’eau sert de vecteur d’énergie et de chaleur (chauffage à la vapeur et refroidissement à l’eau) et de milieu de travail dans les machines à vapeur, et elle est utilisée dans la transmission de la pression (notamment dans les transmissions hydrauliques et les presses, ainsi que dans l’extraction du pétrole) ou de la puissance (entraînement des machines hydrauliques). Pulvérisée à travers une buse sous une grande pression, l’eau lave le sol ou la roche.
Les demandes d’eau dans l’industrie sont extrêmement variées. Une eau d’une pureté particulière est nécessaire au développement des branches les plus récentes de l’industrie (production de semi-conducteurs et de phosphores, ingénierie atomique, etc.) C’est pourquoi une attention particulière est actuellement accordée aux problèmes de traitement et de purification de l’eau. Selon certaines estimations, le volume total de matériaux (minerais, charbon, pétrole, minéraux, etc.) traités chaque année dans le monde entier est d’environ 4 milliards de m3 (4 km3) ; pour la même période, la consommation d’eau douce – c’est-à-dire d’eau provenant de sources d’approvisionnement – dans la seule URSS était de 37 milliards de m3 en 1965. L’augmentation rapide de l’utilisation de l’eau pose un nouveau et important problème à l’humanité – la lutte contre l’épuisement et la pollution des ressources en eau de la planète.
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L’eau dans l’organisme. L’eau est le milieu de base intracellulaire et extracellulaire dans lequel se déroule le métabolisme de toutes les plantes, de tous les animaux et de tous les micro-organismes ; elle est aussi le substrat de nombreuses réactions chimiques enzymatiques. Dans le processus de photosynthèse, l’eau et le dioxyde de carbone sont utilisés pour la formation de substances organiques et servent ainsi de matière première pour la création de la matière vivante sur terre.
L’eau permet la turgescence des tissus, le transport des substances nutritives et des produits d’échange (sang, lymphe et sève végétale), la thermorégulation physique et d’autres processus d’activité vitale. La vie a probablement commencé dans un environnement aquatique. Au cours de l’évolution, divers animaux et plantes aquatiques sont apparus sur la terre et se sont adaptés à une forme de vie terrestre ; néanmoins, l’eau reste pour eux aussi une composante essentielle de l’environnement extérieur.
La vie sans eau est impossible. Lorsqu’il y a un manque d’eau, l’activité vitale des organismes vivants est perturbée. Seules les formes de vie dormantes – les spores et les graines – résistent bien à une privation prolongée d’eau. Les plantes s’affaissent et peuvent mourir par manque d’eau ; cependant, la sensibilité des différentes plantes au manque d’eau varie. Les animaux meurent rapidement s’ils sont privés d’eau : un chien bien nourri peut survivre jusqu’à 100 jours sans nourriture, mais sans eau, il survivrait moins de 10 jours. La teneur en eau des organismes vivants est élevée (voir tableau 2).
Les fluides d’un organisme vivant – espaces intercellulaires, lymphe, sang, sucs digestifs, sève des plantes, etc… – contiennent de l’eau libre. L’eau est présente à l’état lié dans les tissus des animaux et des plantes – elle ne s’écoule pas lorsqu’un organe est coupé. L’eau peut provoquer le gonflement des colloïdes et se lier aux protéines et autres composés organiques, ainsi qu’aux ions qui sont des composants des cellules et des tissus (eau d’hydratation). Les molécules d’eau qui se trouvent à l’intérieur de la cellule mais qui ne sont pas des composants de la membrane hydratée des ions et des molécules sont immobiles et sont plus faciles à entraîner dans la circulation générale de l’eau dans l’organisme que les molécules d’eau hydratée.
| Tableau 2. Teneur en eau de divers organismes et de leurs organes et tissus | |
|---|---|
| Teneur en eau (pourcentage) |
|
| Plantes terrestres bout de la pousse en croissance…………… |
91-93 |
| Les feuilles…………… | 75-86 |
| Les graines de céréales…………… | 12-14 |
| Algues…………… | 90-98 |
| Mousses et lichens……………. | 5-7 |
| Méduses…………… | 95-96 |
| Vers de terre…………… | 84 |
| Insectes adultes…………… |
45-65 |
| larves…………… | 58-90 |
| Poissons…………… | 70 |
| Mammifères (dont l’homme)…………… | 63-68 |
| squelette…………… | 20-40 |
| muscles…………… | 75 |
| foie…………… | 75 |
| Cerveau humain matière grise…………… |
84 |
| matière blanche…………… | 72 |
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Kravchinskii, B. D. Fiziologiia vodno-solevogo obmena zhidkostei tela. Leningrad, 1963.
Signification hygiénique. L’eau est un composant de tous les fluides et tissus du corps humain et représente environ 65 % de son poids total. La perte d’eau est plus dangereuse pour l’organisme que la famine : l’homme peut survivre pendant plus d’un mois sans nourriture mais seulement quelques jours sans eau. Les substances organiques et inorganiques nécessaires à l’activité vitale sont dissoutes dans l’eau ; elle rend possible la dissociation électrolytique des sels, des acides et des alcalis qu’elle contient et joue le rôle de catalyseur de divers processus métaboliques dans l’organisme.
Les besoins physiologiques de l’homme en eau, que l’organisme absorbe en buvant et en mangeant, sont de 3 à 6 litres par période de 24 heures, selon les conditions climatiques. Une quantité d’eau beaucoup plus importante est nécessaire pour les besoins sanitaires et domestiques.
L’élimination des ordures et des déchets par un système d’égouts n’est possible que lorsqu’il existe un niveau suffisant de consommation d’eau desservie par des systèmes centralisés d’approvisionnement en eau. Le niveau de consommation d’eau (en litres par habitant et par jour) caractérise également, dans une certaine mesure, le niveau des mesures de santé publique dans les centres de population (voir tableau 3).
Les normes hygiéniques scientifiquement justifiées pour la teneur maximale admissible en substances chimiques dans l’eau sont d’une grande importance pour écarter le danger d’effets nocifs directs ou indirects de l’eau sur la santé et les conditions sanitaires dans lesquelles vit la population. Ces normes constituent la base des normes d’État pour la qualité de l’eau potable – COST (All-Union State Standard) 2874 – et sont obligatoires pour la planification et l’utilisation des conduites d’eau industrielle et d’eau potable (municipale). Dans l’intérêt de la santé publique, les normes de qualité de l’eau potable ont été révisées dans les années 1960 dans tous les pays socialistes, aux États-Unis et en France. Des normes internationales pour l’eau potable ont été promulguées par l’Organisation mondiale de la santé en 1963 ; en URSS, la rédaction d’un plan pour de nouvelles normes de qualité pour l’eau potable a été achevée en 1968.
| Tableau 3. Normes de consommation d’eau domestique et d’eau potable | |
|---|---|
| Niveau de fourniture d’équipements dans la construction résidentielle | Consommation d’eau par habitant (litres par jour ; moyenne journalière pour l’année) |
| Bâtiments dont l’eau est fournie par des hydrants (sans système d’égouts)…………… |
30-50 |
| Bâtiments avec conduites d’eau intérieures et systèmes d’égouts (sans bains)……………. |
125-150 |
| Bâtiments avec conduites d’eau, systèmes d’évacuation des eaux usées, bains, et chauffe-eau fonctionnant au combustible solide…………… |
150-180 |
| Bâtiments avec conduites d’eau, systèmes d’évacuation des eaux usées et systèmes centralisés d’alimentation en eau chaude…………… | 275-400 |
L’eau consommée par le public doit être sûre d’un point de vue épidémiologique ; elle doit être exempte de bactéries et de virus pathogènes. Les organismes pathogènes responsables du choléra, de la fièvre typhoïde, de la paratyphoïde, de la leptospirose et, dans une large mesure, de la dysenterie, de la tularémie, de l’hépatite endémique et de la brucellose, sont propagés par l’eau. Les kystes d’amibes dysentériques, les œufs d’ascarides, etc. peuvent pénétrer dans le corps humain avec l’eau potable. La sécurité épidémiologique de l’eau est assurée par l’épuration et la désinfection des eaux usées, par des mesures d’entretien sanitaire des réservoirs, par l’épuration et la désinfection de l’eau dans les conduites.
Les indices de l’approvisionnement en eau du point de vue épidémiologique sont (1) la quantité totale de bactéries, qui sont cultivées dans un milieu nutritif (agar) à une température de 37° C (pas plus de 100 par millilitre), et (2) le nombre de bacilles intestinaux, qui sont cultivés dans un milieu nutritif dense, concentré sur des filtres à membrane (pas plus de 3 par litre). Lorsque des milieux liquides sont utilisés, le nombre de titres de bacilles intestinaux ne doit pas être inférieur à 300. Selon le plan GOST de 1968, les bacilles gram-négatifs non sporifères (anaérobies facultatifs), qui sont capables de fermenter le glucose pour former de l’acide et du gaz à une température de 35°-37° C en 24 heures, sont inclus parmi les bactéries du groupe des bacilles intestinaux.
La composition naturelle de l’eau a longtemps attiré l’attention comme cause possible de maladies non infectieuses répandues. La teneur en chlorures, sulfates et produits de la dégradation des substances organiques (ammoniac, nitrites et nitrates) n’était considérée que comme un indicateur indirect de la pollution de l’eau par les eaux usées domestiques, dangereuse pour la santé publique. Grâce à l’application de nouvelles méthodes de recherche, des régions présentant une carence ou un excès de l’un ou l’autre élément trace dans leur eau ont été trouvées. Des changements distincts ont été observés dans la flore et la faune de ces régions. En raison de l’apport insuffisant ou excessif d’oligo-éléments dans l’organisme provenant de l’eau et de l’alimentation, des maladies caractéristiques ont été observées au sein de la population. Le développement de la fluorose endémique est causé par un niveau insuffisant de fluor dans l’eau potable ; une relation directe a été découverte entre la concentration de fluor dans l’eau et la fréquence et la gravité des caries dentaires. Le fluor présent dans l’eau potable a également un effet sur l’échange phosphore-calcium et sur la calcification des os. Une petite gamme de concentrations, allant du toxique au physiologiquement bénéfique, est caractéristique du fluor dans l’eau potable. À cet égard, il a été établi que la teneur en fluor de l’eau potable ne devrait pas dépasser 0,7-1,0 mg/l (jusqu’à 1,2 en cas de fluoration de l’eau), en fonction des conditions climatiques. La teneur en nitrates dans l’eau a longtemps été considérée comme un indicateur indirect de la pollution domestique de l’eau. Cependant, la présence de fortes concentrations de nitrates a été découverte dans des eaux souterraines naturelles et même dans des horizons aquifères artésiens (RSS de Moldavie, ASSR du Tatar, région de Vladivostok). L’utilisation dans les préparations pour nourrissons d’une eau contenant de fortes concentrations de nitrates provoque des méthémoglobinémies de gravité variable. La méthémoglobinémie causée par les nitrates dans l’eau se retrouve également chez les enfants plus âgés et peut ainsi prendre les proportions d’une maladie endémique (voir tableau 4).
| Tableau 4. Indices de nocivité des substances chimiques (naturelles et ajoutées lors du traitement) dans l’eau potable | |
|---|---|
| Concentration maximale dans l’eau (mg/l) | |
| Lead…………… | 0.1 |
| Arsenic…………… | 0,05 |
| Fluor…………… | 0.7-1,5 |
| Béryllium…………… | 0,0002 |
| Molybdène…………… | 0,5 |
| Nitrates (par teneur en azote)…………… | 10,0 |
| Polyacrylamide…………… | 2,0 |
| Strontium…………… | 2.0 |
Les premiers cas d’empoisonnement par l’eau ont été enregistrés dans la seconde moitié du XIXe siècle en Europe occidentale (les »épidémies » de plomb) à la suite de l’utilisation de tuyaux en plomb dans les canalisations d’eau (l’utilisation de ces tuyaux est interdite en URSS). On trouve également du plomb dans l’eau des sources souterraines à des concentrations qui ne sont pas sans danger pour l’organisme en raison de la possibilité d’effets à long terme.
Les substances chimiques présentes dans l’eau comprennent également des substances qui, à faible concentration, modifient les propriétés organoleptiques de l’eau (odeur, goût, transparence, etc.). Dans les eaux natives, les substances chimiques (sels minéraux courants, fer, manganèse, cuivre, zinc, etc.), les quantités résiduelles de composés utilisés comme réactifs dans le traitement de l’eau et la contamination industrielle des réservoirs sont le plus souvent responsables des modifications des propriétés organoleptiques de l’eau.
Les indices qui assurent des propriétés organoleptiques favorables dans l’eau sont énumérés dans le tableau 5.
| Tableau 5. Indices des propriétés organoleptiques favorables de l’eau à une teneur donnée en substances naturelles ou en substances ajoutées dans le processus de purification | |
|---|---|
| Teneur maximale Dans l’eau (mg/l) | |
| Turbidité (sur l’échelle standard)…………… | 1,5 |
| Fer…………… | 0,3 |
| Manganèse…………… | 0,5 |
| Cuivre…………… | 1,0 |
| Zinc…………… | 5,0 |
| Chlorures…………… | 350 |
| Sulfates…………… | 500 |
| Résidu sec…………… | 1 000 |
| Tripolyphosphate…………… | 5,0 |
| Hexamétaphosphate…………… | 5,0 |
Lorsque l’eau est utilisée dans le traitement de l’argent, la concentration résiduelle d’argent ne doit pas dépasser 0,05 mg/l. Il existe également des normes relatives aux propriétés organoleptiques de l’eau : 2 points sur l’échelle de l’odeur et de l’arrière-goût et 20° sur l’échelle des couleurs ; pour la dureté, 7,0 mg/équivalent ; et un pH compris entre 6,5 et 9,0. Lorsque l’eau contient à la fois des chlorures, des sulfates, du manganèse, du cuivre et du zinc, la somme de leurs concentrations exprimées en fractions de la concentration maximale admissible de chaque substance ne doit pas dépasser 1,
.