Notion de dureté

Les eaux naturelles que l'on peut trouver dans la nature contiennent en particulier des gaz dissous (dioxyde de carbone, dioxygène...), des bactéries ou microbes, des sels minéraux dissous (ions calcium Ca2+, ions sodium Na+, ions sulfate SO42-, potassium K+, chlorure Cl-, nitrate NO3-...).

L'eau du robinet ou en bouteille n'est jamais pure. Elle contient toujours des minéraux sous forme d'ions. La dureté de l'eau est l'indicateur de la minéralisation de l'eau. Elle est proportionnelle à sa concentration en ions calcium et magnésium principalement. Une eau est dite "dure" ou "calcaire" lorsqu'elle est riche en sels de calcium et de magnésium.

La dureté notée " d " se mesure en degré hydrotimétrique ou TH en °f. Elle est définie par la somme des concentrations en ions magnésium et en ions calcium exprimées en mol.L-1 :

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d = ( [Ca2+] + [Mg2+] ) x 104

dureté de l'eau TH en °f

0 à 7

7 à 15

15 à 30

30 à 40

+40

nature de l'eau

très douce

eau douce

plutôt dure

dure

très dure

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Exercice d'application

Un agriculteur a reçu la composition de l'eau de son puits et veut connaître la dureté associée. Il est indiqué une masse de 84 mg d'ions Ca2+ et 24 mg d'ions Mg2+ pour 1 L d'eau.

Données : M(Ca) = 40,1 g.mol-1 ; M(Mg) = 24,3 g.mol-1 ;

  1. Calculer les quantités de matière en ions calcium et en ions magnésium correspondantes.

  2. Calculer la dureté de cette eau.

  3. Comment peut-on qualifier l'eau de ce puits ?

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Conséquences d'une eau dure

Plus une eau est dure, plus sa concentration en minéraux est élevée et moins les espèces chimiques aux propriétés détergentes sont efficaces.

Une eau trop dure provoque :

  • l'entartrage des tuyauteries et des appareils

  • une surconsommation électrique des appareils entartrés

  • une surconsommation de détergent

Selon le ministère de la Santé, une eau entre 15 °F et 25 °F se situe dans une fourchette " idéale".

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Mise en évidence de la dureté d'une eau

Il existe plusieurs techniques pour connaître la dureté d'une eau, selon la précision recherché (bandelettes test, dosage...).

Il est aisé de reconnaître, avec peu de matériel, la nature de son eau : avec une eau douce, le savon mousse et on a du mal à se débarrasser de la mousse. Au contraire, une eau dure (calcaire) le savon a tendance à précipiter (former des paillettes solides).

Centrale vapeur et eau minérale

Christelle, pour son atelier de couture, a acheté une centrale vapeur mais celle-ci ne contient plus d'eau. Elle veut se dépanner dans l'urgence et sait que l'eau du robinet est déconseillée. Dans sa remise elle trouve deux bouteilles d'eau minérale mais dont les étiquettes sont tombées.

Problématique : comment peut-elle identifier, puis choisir l'eau la plus appropriée pour mettre dans la centrale vapeur ?

1. Doit-elle mettre une eau douce ou une eau dure dans sa centrale vapeur ? Expliquer pourquoi.

2. Quel test Christelle peut-elle réaliser pour différentier une eau douce d'une eau dure sachant qu'elle a à sa disposition des produits de la vie courante ?

Les étiquettes des deux eaux minérales sont représentées ci-contre.

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Pour choisir l'eau la plus appropriée, Christelle décide de calculer le degré hydrotimétrique (en °f). Données : M(Ca) = 40,1 g.mol-1 ; M(Mg) = 24,3 g.mol-1 ;

3.1. Calculer les quantités de matières des ions calcium et magnésium présents dans chacune de ces deux eaux.

3.2. En déduire les concentrations molaires correspondantes.

3.3. Calculer le degré hydrotimétrique (en °f) pour chacune de ces eaux.

4. Conclure en indiquant l'eau qui vous semble la plus appropriée pour mettre dans la centrale vapeur.

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Influence du tartre sur la consommation énergétique

Une eau dure présente de nombreux inconvénients pour un usage domestique en favorisant la formation de dépôts de tartre qui endommagent les appareils électroménagers et diminuent leurs performances.

Le tartre s'accumule sur les parois et le fond du chauffe-eau autour des éléments chauffants ralentissant ainsi le transfert de chaleur. La consommation énergétique augmente (cf graphique ci-contre).

La mesure de la conductivité électrique d'une eau permet d'évaluer sa dureté, c'est dire son titre hydrotimétrique (TH) : une eau ayant un titre hydrotimétrique de 1°f correspond à une conductivité d'environ 18 µS .cm-1 (micro-siemens par centimètre).

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Bien qu'elle ne soit pas dangereuse pour la santé, une eau dure présente plusieurs désagréments : elle peut être agressive pour les peaux sensibles, consommer plus de savon pour les tâches ménagères, et surtout avoir un mauvais goût.

L'adoucissement d'une eau consiste à remplacer les ions Ca2+ et Mg2+ par des ions sodium Na+. Les ions sodium, contrairement aux ions calcium et magnésium, ne provoquent pas l'entartrage des canalisations. Il est conseillé de brancher l'adoucisseur uniquement pour protéger les conduites destinées à alimenter la production d'eau chaude (lave-linge, lave-vaisselle, chauffe-eau).

Ce n'est en effet qu'aux températures supérieures à 60°C que l'entartrage est problématique.

Un adoucisseur domestique contient un compartiment contenant une résine échangeuse d'ions, un bac à sel ainsi qu'un système de vannes régulant la circulation de l'eau. La résine est un ensemble de petites billes sur lesquelles vient se fixer le sodium du sel régénérant, les ions calcium sont absorbés en lieu et place des ions de sodium qui sont libérés dans l'eau. Lorsque tous les ions sodium ont été échangés (saturation), la résine ne peut reprendre son rôle qu'après avoir été régénérée par une solution saline concentrée et rincée.

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1. Comment l'utilisation d'une eau dure au sein d'une habitation peut avoir des conséquences sur la facture énergétique ?

2. Quelle surconsommation énergétique engendre une couche de 5 mm de tartre ?

3. Quelle est le principe de fonctionnement d'un adoucisseur d'eau ?

4. La conductivité électrique de l'eau d'une habitation est d'environ 650 µS/cm. Que pouvez-vous en conclure et quels conseils pourriez-vous formuler à la famille qui demeure dans cette habitation ?

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