Chimie de l'environnement

Test de présence d'eau

Deux tests chimiques montrent que l'eau est présente :

• Le chlorure de cobalt(II) anhydre 无水 passe du bleu au rose lorsqu'on ajoute de l'eau.
• Le sulfate de cuivre(II) anhydre passe du blanc au bleu lorsqu'on ajoute de l'eau.

Ces tests ne font que montrer que l'eau est présente. Pour prouver que l'eau est pure, on teste son point de fusion 熔点 et son point d'ébullition 沸点 : l'eau pure fond exactement à $0\,{}^{\circ}\text{C}$ et bout exactement à $100\,{}^{\circ}\text{C}$. Toute substance dissoute modifie ces valeurs.

C'est pourquoi l'eau distillée 蒸馏水 est utilisée en chimie plutôt que l'eau du robinet — elle contient bien moins d'impuretés chimiques杂质.

Que contient l'eau naturelle

L'eau des rivières, des lacs et de la mer n'est pas pure. Elle peut contenir de l'oxygène dissous 氧气, des composés métalliques, des plastiques, des eaux usées 污水, des microbes nocibles 微生物, ainsi que des nitrates 硝酸盐 et des phosphates 磷酸盐 (qui proviennent des engrais et des détergents).

Certains de ces éléments sont utiles :

• l'oxygène dissous permet à la vie aquatique 水生生物 (poissons et plantes) de respirer ;
• certains composés métalliques apportent des minéraux essentiels 矿物质.

D'autres sont nocifs :

• certains composés métalliques sont toxiques 有毒 (vénéneux) ;
• certains plastiques nuisent à la vie aquatique ;
• les eaux usées transportent des microbes qui causent des maladies ;
• les nitrates et les phosphates provoquent une désoxygénation 缺氧 (perte d'oxygène) dans l'eau, ce qui nuit à la vie aquatique.

Traitement de l'eau potable

Pour rendre l'eau sûre à boire, l'approvisionnement en eau est traité en plusieurs étapes :

• la sédimentation 沉降 et la filtration 过滤 éliminent les particules solides ;
• le passage sur du carbone 碳 élimine les mauvais goûts et odeurs ;
• la chloration 氯消毒 (ajout de chlore) tue les microbes nocifs.

Engrais 肥料 sont ajoutés au sol pour aider les plantes à pousser. Les sels d'ammonium et les nitrates sont des engrais courants.

Les engrais NPK contiennent les trois éléments dont les plantes ont le plus besoin : azote 氮气, phosphore 磷 et potassium 钾.

L'air propre et sec est approximativement composé de :

• 78 % d'azote ($\text{N}_2$)
• 21 % d'oxygène ($\text{O}_2$)
• le reste est un mélange de gaz nobles 稀有气体 et de dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$).

Polluants atmosphériques et leurs sources

Effets de ces polluants

• Le dioxyde de carbone 二氧化碳 et le méthane sont des gaz à effet de serre 温室气体 : leur augmentation provoque le réchauffement climatique 全球变暖, qui entraîne le changement climatique 气候变化.
• Le monoxyde de carbone est un gaz toxique.
• Les particules augmentent le risque de problèmes respiratoires 呼吸 (respiration) et de cancer 癌症.
• Les oxydes d'azote causent les pluies acides 酸雨, le smog photochimique 光化学烟雾 et des problèmes respiratoires.
• Le dioxyde de soufre cause les pluies acides.

Exemple résolu. Une centrale électrique brûle du charbon contenant du soufre, et un lac en aval devient lentement acide. Nommez le polluant, expliquez le lien, et donnez un moyen de l'arrêter. La combustion d'un combustible fossile contenant du soufre libère du dioxyde de soufre, qui cause les pluies acides, donc la pluie tombant sur le lac est acide. Pour l'arrêter à la source, utilisez la désulfurisation des fumées, où l'oxyde de calcium retire le dioxyde de soufre des gaz de rejet avant qu'ils ne quittent la cheminée, ou passez à un combustible à faible teneur en soufre. Associez la solution au polluant : un catalyseur automobile traite les oxydes d'azote d'une voiture et ne ferait rien pour le dioxyde de soufre d'une centrale au charbon.

Réduction de ces problèmes

Pour ralentir le changement climatique : planter des arbres, réduire l'élevage animal, brûler moins de combustibles fossiles, et utiliser davantage d'hydrogène et d'énergie renouvelable 可再生能源 telle que l'énergie éolienne et solaire.

Pour réduire les pluies acides : installer des catalyseurs automobiles 催化转化器 dans les voitures, utiliser des combustibles à faible teneur en soufre, et utiliser la désulfurisation des fumées 烟气脱硫 avec de l'oxyde de calcium 氧化钙 pour retirer le dioxyde de soufre des gaz de rejet.

Comment les gaz à effet de serre réchauffent la Terre

Les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone et le méthane laissent passer la lumière du soleil, mais ils absorbent l'énergie thermique 热能 émise par la Terre chaude, et renvoient une partie vers le bas. Cela réduit l'énergie thermique perdue vers l'espace, donc la Terre se réchauffe.

Dans un moteur de voiture, la température élevée fait réagir l'azote et l'oxygène de l'air pour former des oxydes d'azote. Un catalyseur automobile les élimine, par exemple :

Photosynthèse

La photosynthèse 光合作用 est l'opposé de la combustion — elle retire le dioxyde de carbone de l'air. Les plantes utilisent l'énergie lumineuse et la chlorophylle 叶绿素 pour transformer le dioxyde de carbone et l'eau en glucose 葡萄糖 et en oxygène :

• Deux tests montrent que l'eau est présente (chlorure de cobalt(II) bleu → rose ; sulfate de cuivre(II) blanc → bleu), mais seuls les points de fusion et d'ébullition fixes (0 °C et 100 °C) montrent qu'elle est pure.
• L'air propre et sec contient environ 78% d'azote, 21% d'oxygène et 1% d'autres gaz (pour la plupart des gaz nobles et du dioxyde de carbone).
• Associez chaque polluant à sa source et son effet : monoxyde de carbone (combustion incomplète ; toxique) ; dioxyde de soufre et oxydes d'azote (pluie acide) ; dioxyde de carbone et méthane (gaz à effet de serre → réchauffement climatique).
• Les gaz à effet de serre laissent passer la lumière du soleil mais absorbent la chaleur que la Terre chaude émet et renvoient une partie vers le bas, ce qui réchauffe la Terre.