Les pluies acides

Jean-François Le Maréchal

Cours du 11 octobre 1999

 

 

 

Résumé : Les pluies acides se manifestent depuis quelques décennies dans les régions fortement industrialisées. Leur origine provient d’oxydes de soufre et d’azote rejetés lors de combustion. Pourquoi dit-on que la pluie est acide, et qu’est ce qui la rend acide ? Comment peut-on éviter la formation de pluies acides ? Autant de question qui nécessitent une réponse qui implique quelques éléments de chimie simples.

 

  1. L’effet des pluies acides
    1. Les forets
    2. L’eau de pluie acide ruisselle sur les feuilles et les aiguilles des arbres. La fine pellicule de cire qui protège les végétaux est détruite, laissant la plante moins bien défendue contre les agressions extérieures, dont l’acidité de la pluie. Les feuilles des arbres une fois attaquées, la plante dégénère.

      L’eau de pluie ruisselle également sur le sol et l’arbre qui puise l’eau de la terre puise de l’eau acide, ce qui n’est pas sans dérégler certains mécanismes vitaux de la plante.

    3. Les lacs
    4. La pluie acide qui alimente un lac provoque une modification de la vie (faune et flore) du lac. Le déséquilibre de l’éco système s’accompagne de la disparition de certaines espèces et de l’apparition de nouvelles.

    5. Les pierres

    Les pierres calcaires sont lentement attaquées par les pluies acides. Au niveau du sol, les conséquences sont peu sensibles, au niveau des constructions, la détérioration des façades, des statues... entraîne un vieillissement précoce. La pierre semble rongée. Elle perd ses propriétés de soutient et de décoration.

  2. Qu’est-ce qu’une pluie acide
    1. L’acidité d’une solution
      1. Solution ionique

Une solution , c’est un liquide appelé solvant qui contient un soluté, par définition. On peut aussi dire qu’une solution est un mélange liquide, dont un des constituants est en très grande quantité par rapport aux autres. La plupart des liquides de la vie quotidienne sont des solutions.

Dans une solution comme l’alcool à 95, le soluté est constitué de molécules d’eau. On appelle cela une solution moléculaire.

Dans certaines solutions, les solutés sont particuliers, ce sont des ions, c’est-à-dire des entités chargées + ou –, et pas des molécules. Par exemple l’eau de mer contient des ions sodium Na+, des cations chlorure Cl principalement.

On distingue une solution ionique d’une solution moléculaire car la solution conduit l’électricité. L’eau pure, l’alcool pure, sont des liquides qui ne conduisent pas l’électricité. L’eau salée conduit raisonnablement l’électricité. C’est la méthode la plus simple de savoir si un liquide est une solution ionique ou non.

Une propriété fondamentale des solutions ioniques est d’être globalement neutre, c’est-à-dire qu’il y a autant de charge + que de charge –. On appelle cela l’électroneutralité des solutions.

Dans la suite, les seules solutions envisagées sont les solutions aqueuses, c’est-à-dire dont le solvant est l’eau.

      1. Deux ions particuliers, H+ et HO
      2. Parmi les ions que l’on peut avoir en solution dans l’eau, il y en a deux particuliers. C’est l’ion hydrogène H+, et l’ion hydroxyde HO. Pourquoi sont-il particuliers ?

        Quand ils sont mélangés, ils réagissent immédiatement l’un avec l’autre. La réaction est particulière puisque H + + HO -> H2O. Les charges se neutralisent, les atomes se regroupent et forment une molécule d’eau qui se " perd " dans le solvant.

      3. Le pH d’une solution

Dans une solution aqueuse, plus il y a d’ions H+, et plus la solution est dite acide. Et plus il y a d’ion HO et plus la solution est dite basique. Une solution ne peut pas être à la fois acide et basique, car s’il y avait beaucoup d’ions H+ et beaucoup d’ions HO dans la même solutions, ils réagiraient l’un avec l’autre, et " disparaîtraient " dans le solvant.

Le pH un nombre qui chiffre cette présence d’ions H+ et OH. C’est un nombre décimal entre 0 et 14. Plus il y a d’ions H+, et plus ce nombre est proche de zéro. Plus il y a d’ions HO, et plus ce nombre est proche de 17.

De l’eau à pH 7 est dite neutre (et non pas pure)

De l’eau a pH inférieure est dite acide.

De l’eau à pH supérieure à 7 est dite basique.

Par exemple : Le pH du vin entre 3 et 4, le pH du Coca-Cola est entre 2 et 3 et le pH de l’estomac est entre 1 et 2.

La plus part des eau minérale on un pH entre 6 et 8.

Le sang et de nombreux liquides physiologique ont un pH de 7,4.

L’eau de Javel, l’ammoniaque commerciale, sont des solutions basiques de pH supérieur à 11.

La lessive de soude a un pH entre 13 et 14 suivant les dilutions.

Le pH se mesure à l’aide d’un pH mètre ou d’un papier particulier appelé papier pH. Sa couleur varie en fonction du pH de la solution dans laquelle on le trempe.

    1. L’acidité de la pluie
      1. De la vapeur d’eau à la goutte d’eau pure
      2. L’eau vapeur est constituée de molécules d’eau, séparées les unes des autres. C’est un gaz, non un liquide. Il y a plus ou moins de vapeur d’eau dans l’air suivant la température, suivant la sécheresse du climat.

        Dans certaines conditions, les molécules d’eau s’assemblent et forment une goutte d’eau. Dans une gouttelette d’eau, il y a un million de milliards de molécules d’eau, voire un milliard de milliard. La vapeur d’eau est donc très différente de la gouttelette d’eau. Un brouillard, c’est plein de gouttelettes d’eau qui flotte dans l’air. Ce sont ces gouttelettes d’eau qui empêche de voir à travers le brouillard.

        Quand les gouttelettes d’eau se forment, l’eau liquide ainsi constituée est pure. Elle ne contient rien d’autre que des molécules d’eau. Elle n’est ni acide ni basique. Son pH vaut donc 7 parce que spontanément, H2O -> H+ + OH en très petite quantité (1 dix millionième des molécules d’eau à l’état liquide subissent cet autoprotolyse, c’est le nom de cette réaction).

      3. De la goutte d’eau à la solution
      4. L’eau de pluie devrait être à pH 7. Or si l’on recueille de l’eau de pluie, surtout dans les régions de forte activité humaine, on constate que l’eau de pluie est acide. pH entre 3 et 5. Si l’eau est acide, c’est qu’il y a des ions H+. S’il y a des ions H+, c’est qu’ils ont été apporté par un soluté. Ce soluté provient de la dissolution dans les gouttes d’eau de pluie, de molécules présentes dans l’air. La pollution d’origine humaine, et également d’origine volcanique provoque, est responsable de cette dissolution provocant une basse du H de l’eau de pluie.

      5. De la solution à la solution acide

      Comment une espèce chimique présente dans l’atmosphère peut se dissoudre dans l’eau pour donner des ions H+ ? L’air atmosphérique pur contient N2 (79%), O2 (20%), Ar (1%). Aucune de ces espèces chimiques n’est susceptible d’abaisser le pH de l’eau. D’ailleurs, l’eau de pluie des périodes pré-industrielles n’était pas acide. On en a dans les glaces des grands glaciers de la planète (Groenland, Antarctique par exemple).

      Ce sont les oxydes d’azote et de soufre apportés par le pollution de l’air qui en sont responsables. Considérons simplement SO3, le trioxyde de soufre. Comment SO3 provoque-t-il l’apparition de H+ dans l’eau. Avec une espèce chimique comme HCl, on peut s’expliquer simplement l’apparition de H+. HCl -> H+ + Cl. Mais SO3 ?

      Il s’agit d’une réaction chimique de SO3 sur l’eau qui provoque une nouvelle espèce chimique :

      SO3 + H2O -> H2SO4.

      Cet oxyde de soufre réagit avec l’eau pour produire de l’acide sulfurique. La voilà, notre source d’ion H+, et donc l’origine de l’acidité.

      L’oxyde d’azote, par exemple NO2 donne des réactions chimiques plus complexes, avec l’eau, mais aboutissent à l’acide nitrique : HNO3 qui est également une source d’ion H+ pour les gouttelettes d’eau de pluie.

    2. L’origine de l’acidité de la pluie
      1. Des oxydes d’azote et de soufre aux acides

Pour retrouver des oxydes d’azote et des oxydes de soufre dans l’air, il faut que les éléments chimiques N, S et O interviennent. N et O sont présents dans l’air, mais S ? Le soufre est apporté par les hydrocarbures (pétrole) et par le charbon. Ces espèces chimiques sont d’origine végétales, or, dans tout végétaux, il y a un peut de cet élément chimique, dans les constituant des protéines. Cet élément chimique S se conserve lors de la décomposition des végétaux, puis lors de la formation de charbon et de pétrole, se trouve dans divers espèces chimiques. Quand le charbon ou le pétrole est brûlé, les éléments chimiques C et H (pour le pétrole) se retrouvent dans les espèces chimiques CO2 et H2O. Ce sont respectivement des oxydes de carbone et d’hydrogène. L’élément chimique S, se retrouve sous forme de SO3 qui est un oxyde de soufre.

Ainsi, quand on analyse les données sur les pluies acides, on peut lire :

Quid - pluie acide : lac de Vert-le-Petit (France) :

L’eau du lac a reçu de l’eau de pluie qui contenant de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique. Les deux acides sont responsables de la diminution du pH et l’un et l’autre sont responsables de la présence d’ion nitrate et sulfate. Les ions nitrate et sulfate peuvent également provenir d’autres sources (pollution agricole...), mais le fait que le pH soit faible impose qu’une partie de ces ions est d’origine pluviale.

      1. Les combustions, sources d’oxydes d’azote et de soufre

La formation de l’oxyde de soufre passe essentiellement en deux étapes. La combustion de fiouls soufrés produit du dioxyde de soufre, de formule SO2. Ce dioxyde de soufre se transforme lentement dans l’atmosphère en trioxyde SO3 à cause de la présence de l’oxygène de l’air O2.

L’origine de l’oxyde d’azote est différente. L’élément chimique N, n’est pas présent dans les combustible, et si l’on brûle un combustible en présence d’oxygène pur, on ne forme pas d’oxyde d’azote. L’oxyde d’azote provient du fait que dans la flamme, il y a également l’azote de l’air. Le rendement de production de l’oxyde d’azote est fort heureusement très faible, car il y a énormément d’azote dans l’air.

Les origines de la présence d’acide nitrique et d’acide sulfurique dans l’air sont donc très différentes. ans un cas, N est apporté par le comburant, alors que dans l’autre cas, S est apporté par le combustible.

  1. Remèdes préventifs et curatifs
    1. La diminution des rejets d’oxydes de soufre et d’azote
      1. Désulfuration des fiouls et du gaz naturel
      2. La désulfuration des fiouls consiste à éliminer le plus possible de l’élément S qu’il contient. Un cas d’école est le gaz de Lacq. C’est principalement du méthane (70%), avec une forte présence de H2S (15%). Ce mélange gazeux, est mis à barboter sous pression (75 bars) dans une solution basique. La solution est alors remise à pression atmosphérique (1 bar). Comme ans le cas du Champagne, le gaz sort, et la solution basique peut resservir. Ensuite, on chauffe

        H2S. Il se forme SO2 qui est récupéré pour réagir avec H2 S et donner du soufre :

        2 H2S + SO2 ->2 H2O + 3 S

        Ce procédé, mis au point en France dans les années 50 à conduit à ce que la France passe d’un pays importateur de soufre, à un pays exportateur. (découverte du gisement 1951, exploitation du gisement 1957; le gisement est en fin d’exploitation).

      3. Traitement des fumées industrielles
      4. Le traitement des fumées permet de ne relarguer que les produits non polluant (H2O et CO2). Les fumées, qu’elles proviennent des chaudières ou des incinérateurs contiennent principalement H2O et CO2, produit naturel de la combustion des espèces chimiques qui contiennent C et H, mais contiennent aussi les oxydes de soufre, d’azote, de la dioxyde, des particules de carbone...

      5. Traitement des fumées de véhicules

      Pots catalytiques.

    2. Le traitement des lacs
      1. La réaction acide base
      2. Une façon de faire remonter le pH de l’eau d’un lac, c’est de supprimer l’ion H+ responsable de l’acidité. Il n’est pas question de supprimer l’élément chimique H, mais de faire en sorte que cet élément chimique ne soit plus sut forme H+. Le plus simple, est de le transformer en eau par réaction avec des ions HO que on ajoute artificiellement, par épandage.

      3. L’épandage

On ne peut pas mettre que des ions OH, ça serait trop simple. En effet, ce que l’on ajoute est globalement neutre. Il y a donc un cation avec l’anion hydroxyde. On ne met pas de soude (NaOH) car c’est un produit trop coûteux, et qui serait trop efficace. Localement, le pH serait très basique, et détruirait toute vie, même si après mélange, le pH était ajusté à une valeur neutre.

Pour remonter le pH d’une eau de piscine, on utilise de carbonate de sodium (Na2CO3). C’est une espèce chimique qui ferait très bien l’affaire. Les ions carbonate CO32– sont intéressants car il fixent H+ pour donner H2CO3, qui se transforme en COé et H2O.

Deux produits industriellement accessibles sont candidats pour de tels épandages. Le calcaire : CaCO3, qui joue le même rôle que le carbonate, de sodium, mais qui est moins cher, ou la chaux, CaO. Dans l’eau, la chaux se transforme en chaux éteinte, Ca(OH)2, qui joue le même rôle que la soude, mais qui est très peu soluble. Ainsi, l’action est moins soudaine que celle de la soude, et moins destructrice. Le but est de diminuer l’acidité d’un lac pour sauver la vie qu’il renferme, mais sans la détruire. Un autre intérêt de la chaux sur le carbonate de calcium, est que pour une activité identique, la chaux est moitié moins lourde que le carbonate de calcium. Si l’épandage doit être effectué en avion, c’est un gain important en carburant.

 

Bibliographie :

Poussières atmosphériques et pluies acides

Lars Hedin et Gene Likens

Pour la science 1997 n°232 pp. 274-78