Hydrochimie

L'hydrochimie rencontre de nombreuses applications :

• l'origine d'une eau, de sa qualité ;
• le suivi de la qualité de l'eau (respect des normes) ;
• la détermination des flux par traçage naturel (étude des solutés et/ou des isotopes) ou artificiels (à la suite de l'injection de traceurs comme la rhodamine, etc.) ;
• la prospection minière (étude des métaux marqueurs des gisements traversés par l'eau) ;
• l'étude du cycle de l'eau et la paléoclimatologie (notamment par l'étude de la teneur en isotopes).

La caractérisation de la composition de l'eau fait appel à différents procédés :

• l'analyse chimique élémentaire : déterminer la composition en éléments dissous d'une eau (concentration massique des différents solutés), en général traduite sous forme de teneurs en ions pour les éléments majeurs et exprimées habituellement en mg/L;
• les méthodes physico-chimiques : les analyses, initialement faites avec des réactions chimiques (dosages) élément par élément, sont maintenant faites avec des méthodes physiques ou physico-chimiques comme la chromatographie liquide haute pression (anions majeurs), la spectrométrie de flamme (cations majeurs), la spectrométrie de masse (isotopes de l'oxygène et de l'hydrogène en particulier), torche à plasma (analyse des traces), analyseurs de carbone (carbone organique/carbone inorganique), électrodes pour le pH et différents ions.

• Majeurs :
  • Anions : HCO₃⁻, Cl⁻, SO₄²⁻. Parfois : NO₃⁻, PO₄³⁻, F⁻...
  • Cations : Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺...
• Mineurs :
  • Métaux : Fe, Mn, Pb...
  • Isotopes : (¹⁸O, D, T, Sr...)
  • Organiques : hydrocarbures,
  • Autres : oxygène dissout
  • pesticides,

pH, eH (potentiel redox), température, conductivité électrique, turbidité

La composition chimique de l'eau de pluie est d'abord influencée par la composition de la source de vapeur d'eau - l'eau de pluie peut par exemple avoir des similitudes remarquables avec l'eau des océans. Par la suite durant le transport de cette vapeur puis sa condensation sous forme de pluie, l'eau d'habitude s'appauvrit en certains éléments à mesure de l'éloignement de sa source, ou inversement s'enrichit au contact des poussières et pollutions atmosphériques.

Les ions carbonates et les minéraux carbonatés dans l'eau participent au pouvoir tampon de l'eau.

Le CO₂ (dioxyde de carbone) est un gaz représentant environ 0,03 à 0,04 % de l'air sec. La dissolution du CO₂ au contact air-eau est une réaction rapide. La quantité de CO₂ dissous dépend surtout de la température et de la pression du CO₂ dans l'air (habituellement entre 0,03 et 0,04 %) qui augmente rapidement dans les sols (pour atteindre environ 1 % de l'air du sol) du fait de la respiration organique. On parle aussi d'eau en équilibre avec l'air et d'eau en équilibre avec le sol. Dans certains cas, l'eau peut être en équilibre avec d'autres sources de CO₂ importantes, comme des eaux carbo-gazeuses thermales, les marais et les tourbes.

L'équilibre de dissolution et dégazage du CO₂ s'écrit :

(1) CO_{2 gazeux} ⇌ CO_{2 dissous}

La réaction du CO₂ dissous et de l'eau liquide conduit à la formation du CO₂ aqueux (H₂CO₃) suivant l'équilibre :

(2) CO_{2 dissous} + H₂O ⇌ H₂CO₃

Dans des conditions normales de température et de pression, l'équilibre (2) conduit à l'équation :

(3) H₂CO₃ = p(CO_{2 gazeux}) × 10^-1,46

Le CO₂ aqueux se dissocie suivant les équilibres entre les différentes espèces ioniques HCO₃- et CO₃2- et l'eau :

(4) H₂CO₃ + H₂O ⇌ HCO₃¹⁻ + H⁺

(5) HCO₃¹⁻ + H₂O ⇌ CO₃²⁻ + H⁺

On voit ainsi comment le CO₂ gazeux, par dissolution dans l'eau puis par réaction avec les molécules d'eau peut former l'anion HCO₃- également appelé bicarbonate ou encore hydrogénocarbonate. Dans une eau naturelle, les couples H+ et carbonates sont souvent les seuls apportant un peu d'acidité permettant la dissolution des minéraux carbonatés (Calcite, Magnésite, Dolomite, etc.). Un des phénomènes les plus concrets de cette dissolution est la formation de karst dans les massifs calcaires. Inversement lorsque la pression en CO₂ diminue, du fait par exemple de l'émergence de l'eau à l'air libre, la diminution de la concentration en bicarbonate induit la précipitation des carbonates - c'est le phénomène à l'origine de la construction d'une tufière.

Plusieurs modèles sont utilisés par les hydrochimistes, pour résoudre des systèmes d'équilibre complexes et calibrer des données expérimentales et éprouver des scénarios. Souvent un modèle nécessite une base de données recensant les constantes d'équilibres des phases minérales d'une eau. Une référence dans la matière est la suite Phreeq, mais de nombreux autres modèles existent (CHEAQS, ChemEQL, CHESS, FITEQL, MEDUSA, MINEQL, MITEQ, StabCal).

On peut tout de suite distinguer les eaux chaudes des eaux froides, mais surtout on peut distinguer selon la chimie d'une eau son faciès hydrochimique. Pour arriver à une telle distinction de nombreuses voies nous sont offertes. La plus simple est probablement d'utiliser un simple diagramme hydrochimique. Il existe également des méthodes plus "numériques" s'accordant bien par exemple avec l'emploi de bases de données et de formules mathématiques.

Dans tous les cas le but d'une classification est de faire ressortir les concentrations principales de l'eau, dont on peut par exemple déduire l'origine "géologique" de l'eau. Comme toutes classifications ces dernières peuvent s'avérer péjorativement simplificatrices.