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Dureté de l'eau

indicateur de la minéralisation de l’eau
Dureté de l'eau en France par département.

Le titre hydrotimétrique (T.H. ou G.H. en allemand pour GesamtHärte), ou dureté de l'eau[1], est l’indicateur de la minéralisation de l’eau. Elle est due uniquement aux ions calcium et magnésium.

La dureté s’exprime en ppm m/V (ou mg/L) de CaCO3 ou en degrés français (symbole °f ou °fH) en France (à ne pas confondre avec le symbole °F, degré Fahrenheit). Un degré français correspond à 10 ppm de calcaire représentant 10−4 mol L−1 de calcium, soit 4 mg/L de Ca2+, ou encore 2,4 mg de magnésium par litre d’eau :

avec les concentrations en mmol/L[2].
Plage de valeurs du titre hydrotimétrique :
TH (°f) 0 à 7 7 à 15 15 à 30 30 à 40 + 40
Eau très douce douce plutôt dure dure très dure

Généralement, on distingue la dureté permanente et la dureté temporaire, la somme des deux étant la dureté totale. La dureté se détermine par un dosage complexométrique par l’EDTA (voir chélation). On utilise un adoucisseur d'eau pour adoucir l'eau jusqu'à environ cinq degrés français, car les détergents tels que le savon sont moins efficaces dans une eau dure : les ions calcium et magnésium font précipiter les anions carboxylate à longue chaîne présents dans le savon.

Les sels minéraux qui entrent à l'état dissous dans le calcul de la dureté de l'eau sont souvent essentiels à la santé. Lors de leur dissolution dans l'eau, ceux-ci se retrouvent sous la forme de cations et d'anions. À l'état libre, ces derniers sont toutefois difficilement assimilables par les êtres vivants (qui assimilent plus facilement des ions complexés).

ChimieModifier

Titre alcalimétrique (TA)Modifier

Il permet de connaître les teneurs de l’eau en carbonates et bases fortes présentes dans l’eau. Cette analyse se fait en présence de phénolphtaléine qui vire de l’incolore au rose-fuchsia à un pH de 8,2. Le titre alcalimétrique s’exprime en degrés français (°f).

  • 1 °f = 3,4 mg/l d'ion hydroxyde HO = 6,0 mg/l d'ion carbonate CO32–.

Titre alcalimétrique complet (TAC)Modifier

Le TAC (titre alcalimétrique complet) est la grandeur utilisée pour mesurer le taux d’hydroxydes, de carbonates et de bicarbonates d’une eau, son unité est le degré français (°f ou °fH).

TAC = [HO-] + [CO32-] + [HCO3-][2]

En titrant l’eau à analyser avec un acide, on obtient un premier point d'équivalence qui est le TA (titre alcalimétrique) et qui correspond à pH=8,2 (virage de la phénolphtaléine*, ou encore du bleu de Thymol). À ce stade, on a neutralisé l’ensemble des hydroxydes et des carbonates.

En continuant le dosage, un deuxième point d'équivalence se produit à pH=4,4 (virage de l’hélianthine). On aura alors dosé la totalité des hydroxydes, carbonates et bicarbonates présents initialement.

Il s'agit de faire attention aux unités utilisées dans les équations, qui s'écrivent différemment suivant que l'on utilise des °f ou des mol/L.

* : La phénolphtaléine a été déclarée CMR C1B (Carcinogène, Mutagène, Reprotoxique ; Carc. 1B, peut provoquer le cancer) et à ce titre, elle ne doit plus être utilisée.

AquariophilieModifier

Pour les aquariums à poissons d'eau douce, il est important de maintenir la dureté de l'eau dans une certaine plage de valeurs. Cela implique de renouveler chaque semaine une partie de l'eau, l'eau rajoutée devant bien évidemment être d'une dureté bien précise.

Une dureté de 14 à 25 °f convient pour une grande majorité des poissons d'eau douce d'aquarium.

En aquariophilie d'eau douce, on peut régler la dureté de l'eau, TH, en mélangeant l'eau du robinet à de l'eau osmosée. Le TH de l'eau osmosée est voisin de 0 °f. Il est possible de fabriquer cette eau à l'aide d'un appareil (osmoseur) ou de l'acheter en magasin spécialisé en animalerie.

Pour calculer la quantité d'eau osmosée nécessaire pour un TH choisi :

volume d'eau osmosée (en litres) = volume aquarium (en litres) × (THeau robinet - THchoisi)/ (THeau robinet - THeau osmosée).

La dureté totale ou TH (titre hydrotimétrique) se mesure à l'aide de test, de plus souvent de marque allemande, la dureté est alors mesurée en degrés allemands ou GH. Pour convertir les unités allemandes (GH) en unités françaises TH, on utilise l'échelle : TH = 1,78 × 1 °GH.

La dureté conseillée pour les poissons rouges, poissons d'aquarium les plus populaires, figure ici.

Unités de mesureModifier

Mesurant des ions différents (calcium, de masse molaire 40 g/mol et magnésium, de masse molaire 24 g/mol), le TH ne peut s'exprimer avec l'unité habituellement utilisée en hydrologie, à savoir le milligramme par litre (mg/L) ou l'un de ses multiples. En revanche, il pourrait être exprimé dans l'unité internationale, la mole par kilogramme (mol/kg). Il est toutefois plus habituel d'utiliser le milliéquivalent par litre (méq/L) ou :

Facteurs multiplicateurs des valeurs à convertir pour obtenir la dureté de l'eau dans les autres normes :
Valeurs à convertir poids moléculaire °GH °TH °fH ppm mval/L mmol/L
Degré français (°fH) CaCO3 100 0,560 0,740 1 10 0,2 0,1
Degré allemand (°GH) CaO 56 1 1,321 1,786 17,8 0,357 0,178
Degré américain (TH) Ca(OH)2 74 0,757 1 1.351 14,3 0,285 0,142
ppm CaCO3 (États-Unis) ppm = 0,056 0,07 0,1 1 0,02 0,01
mval/L d'ions de métaux alcalino-terreux 1 mval/L = 2,8 3,51 5 50 1 0,50
mmol/L d'ions de métaux alcalino-terreux 1 mmol/L = 5,6 7,02 10,00 100,0 2,00 1
  • Les Américains utilisent également l'unité « Grains per Gallon » (gpg), équivalant à 1 grain (64,8 mg) de carbonate de calcium par gallon américain (3,79 L), ou 17,118 ppm.

Méthodes de mesuresModifier

Le titre hydrotimétrique est mesuré par complexométrie, un puissant chélatant — l'EDTA, que l'on retrouve parfois dans les lessives — formant des complexes avec les cations métalliques. Dans la pratique, tous les métaux divalents, par exemple les ions ferreux, sont susceptibles d'être dosés — ce sont donc des interférants — mais on considère que leur concentration est négligeable par rapport à celles du calcium et du magnésium. On peut également calculer le TH en additionnant les concentrations de calcium et de magnésium mesurées par d'autres méthodes, par exemple la spectrométrie d'absorption atomique ou la chromatographie ionique.

IndicesModifier

Différents indices sont utilisés pour décrire le comportement du carbonate de calcium dans l'eau, l'huile ou les mélanges gazeux[3].

Indice de saturation de Langelier (LSI)Modifier

L'indice de saturation de Langelier est un nombre sans dimension permettant de déterminer la stabilité du carbonate de calcium dans l'eau. Il indique si l'eau va précipiter, dissoudre ou être en équilibre avec le carbonate de calcium. En 1936, Wilfred F. Langelier a développé une méthode pour prédire le pH auquel l'eau est saturée en carbonate de calcium (pHs). Il se calcule en faisant la différence entre le pH de l'eau et le pH de saturation (pHs). Le LSI est exprimé par la différence entre le pH actuel de l'eau et le pH de saturation :

LSI = pHmesuré - pHs
  • Lorsque le LSI > 0, l'eau est super saturée et tend à précipiter et former des dépôts de CaCO3.
  • Lorsque le LSI = 0, l'eau est saturée (en équilibre) en CaCO3. Des dépôts de CaCO3 ne sont ni déposés ni dissous.
  • Lorsque le LSI < 0, l'eau est sous saturée et tend à dissoudre le CaCO3 solide.

InterprétationModifier

Dureté nulleModifier

Le titre hydrotimétrique d'une eau dépourvue de calcium et de magnésium (par exemple de l'eau distillée ou de la lessive de soude) est nul.

Eaux naturellesModifier

Le titre hydrotimétrique des eaux naturelles augmente souvent avec l'éloignement de la source, l'eau se chargeant en sels minéraux. Les eaux naturelles continentales étant généralement calcaires (bicarbonatées calciques), la valeur de leur TH est voisine de celle de leur titre alcalimétrique complet (TAC).

Eau de merModifier

L'eau de mer a un titre hydrotimétrique d'environ 750 degrés français.

EffetsModifier

Santé humaineModifier

La dureté d'une eau est sans conséquence sur la santé humaine — le calcium et le magnésium sont des constituants majeurs de notre organisme — et une eau demeure potable quel que soit son TH. Il existe des exceptions à ces règles générales, expliquées par les caractéristiques chimiques de certains minéraux.

L'eau dure est fréquemment rapportée comme étant irritante pour la peau, notamment pour les peaux sensibles. Certaines personnes seraient intolérantes au calcaire, et présenteraient des rougeurs, des démangeaisons ou des tiraillements de la peau après un contact direct avec de l'eau dure[4]. Ces affirmations sont cependant peu documentées par des études scientifiques et relèvent souvent d'allégations issues des professionnels du traitement de l'eau. Les effets cutanés d'une eau calcaire seraient indirects (dosage plus important de savons, voir ci-dessous), il s'agirait vraisemblablement d'une sécheresse ressentie plutôt que d'une véritable sécheresse cutanée[5].

Autres problèmes : tartre, lessiveModifier

Une eau dure présente des inconvénients d'ordre domestique en raison de la précipitation du calcaire (carbonate de calcium). On peut éviter la formation de tartre en éliminant le calcium par adoucissement ou osmose inverse.

En outre, le calcaire diminue l'efficacité des détergents. Les doses conseillées sur le mode d'emploi des lessives sont valables pour une eau moyennement dure (environ quinze degrés français) et doivent être diminuées (augmentées) si l'on utilise une eau plus douce (dure).

Notes et référencesModifier

  1. Une eau fortement minéralisée est « dure à mousser » avec du savon, d'où le terme de dureté.
  2. a et b Analyse d'eau, détails
  3. (en) Corrosion by water
  4. « Les effets de l’eau calcaire sur la peau », Union française des professionnels du traitement de l'eau
  5. « Procédés anti-tartre « non conventionnels » : les recommandations de l’Anses | Anses - Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail », sur www.anses.fr (consulté le 3 juin 2019)

AnnexesModifier