Aiga

 

En causa de son caractèr indispensable a la subrevida dau vivent, l'aiga es coneguda per l'èsser uman dempuei la Preïstòria. Foguèt ansin l'objècte d'un culte dins mai d'una cultura e es uei totjorn utilizada dins la liturgia de certanei religions majoras coma lo cristianisme. De mai, foguèt considerada coma un element de basa de la matèria, generalament amb lo fuòc, la tèrra e l'aire, per leis elementaristas de l'Antiquitat e de l'Edat Mejana^[2].

L'estudi scientifica de l'aiga comencèt ansin dins lo corrent dau sègle XVIII quand lei progrès tecnics permetèron d'analisar sa composicion. Lei figuras majoras d'aqueu trabalh foguèron Henry Cavendish (1731-1810), Antoine Lavoisier (1743-1794), William Nicholson (1753-1815) e Anthony Carlisle (1768-1840). Capitèron de mostrar que l'aiga es formada d'oxigèn e d'idrogèn dins de proporcions que foguèron precisadas en 1805 per Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) e Alexander von Humboldt (1769-1859).

La premiera mòstra d'aiga pesuga pura foguèt obtenguda en 1933 per lo quimista Gilbert N. Lewis (1875-1946). Permetèt d'estudiar sei proprietats caracteristicas que foguèron pus tard utilizadas dins l'industria nucleara.

 

L'aiga a de proprietats particularas que son fòrça diferentas d'aquelei deis autrei substàncias. Ansin, dins lei condicions normalas de pression e de temperatura observadas sus Tèrra, l'aiga es generalament a l'estat liquida amb un ponch de fusion situat a 0 °C (273,15 K) e una ponch de vaporizacion situat a 100 °C (373,15 K). Dins aquel estat, sa constanta dielectrica es la pus auta dei liquids coneguts (ɛ_r = 78,5), çò que li permet de solubilizar un nombre important de moleculas. L'aiga liquida a tanben la tension superficiala pus auta (72 mN/m a 20 °C). Aquò explica perqué un sistèma de capillars pòu emmagazinar de quantitats importantas d'aigas.

L'aiga tèn egalament de caracteristicas termicas excepcionalas amb una calor massica de 4 185,5 J/kg/K (a 15 °C) e una conductivitat termica de 0,604 W/m/K (a 20 °C). Sei calors latentas de fusion e de vaporizacion son tanben autas en causa de la preséncia de liames idrogèn. Ansin, l'aiga a un ròtle primordiau dins la regulacion deis equilibris termics planetaris.

La preséncia d'aiga sota forma gasosa, liquida e solida sus Tèrra es liada a son ponch triple que se situa a 0,01 °C e 611,2 Pa. Sa forma gasosa es dicha vapor. Sa forma solida es generalament dicha glaç ò nèu. L'aiga liquida a una densitat egala a 1 a 4 °C e a 0,998 3 a 20 °C. Presenta la particularitat d'èsser pus densa que lo glaç qu'a una densitat compresa entre 0,91 e 0,93 a 0 °C.

 

La molecula d'aiga es constituïda de dos atòms d'idrogèn e d'un atòm d'oxigèn. En causa de la preséncia de dos doblets non liant sus l'oxigèn, a una forma coïdada amb un angle de 104,5°. La distància entre l'oxigèn e un idrogèn es de 95,7 pm. Conjugada amb la diferéncia d'electronegativitat entre lei dos elements, aquò es a l'origina dei proprietats particularas de l'aiga. D'efiech, lo liame covalent oxigèn-idrogèn presenta un caractèr ionic non negligible. Aquò mena a la formacion de cargas electricas parcialas que sei baricentres correspondon pas. La molecula d'aiga es ansin polara.

Aquela polaritat explica la capacitat de l'aiga de dissòudre de compausats ionics ò polars e sa miscibilitat febla amb lei substàncias apolaras. De mai, permet la formation de liames idrogèn entre un doblet non liant d'un atòm d'oxigèn e un atòm d'idrogèn d'una autra molecula. Relativament poderós (aperaquí 10% d'un liame covalent), aquela liason intermoleculara renfòrça la capacitat de l'aiga de solubilizar de produchs polara e conferís a sei formas liquida e solida de proprietats fisicas particularas. La pus importanta es probablament una aumentacion de sei temperaturas de cambiaments d'estat a respècte de la valor teorica calculada a partir dei caracteristicas deis autreis elements de la colona de l'oxigèn. Per exemple, la temperatura de fusion dau sulfur d'idrogèn (H₂S) es de -85,5 °C e aquela dau seleniur d'idrogèn (H₂Se) es de -66 °C.

L'aiga, compres a l'estat pur, es totjorn feblament ionizada segon l'equilibri quimic seguent :

La constanta d'equilibri K_e associada es dicha produch ionic de l'aiga. Es egala a :

${\displaystyle K_{\rm {e}}={\frac {a_{\rm {H_{3}O^{+}}}\cdot a_{\rm {HO^{-}}}}{a_{\rm {H_{2}O}}^{2}}}}$ 

Coma leis ions H₃O⁺ e HO^– son pauc concentrats, aquela relacion pòu èsser simplificada dau biais seguent :

${\displaystyle K_{\rm {e}}=[{\rm {H_{3}O^{+}}}][{\rm {HO^{-}}}]}$ 

Experimentalament a 25 °C, lei doas concentracions son egalas a 10^-7 mol/L. Lo pH de l'aiga pura es donc de 7, çò que definís la neutralitat acidobasica. Dins aquò, en realitat, una solucion d'aiga contèn d'impuretats que modifican son pH vèrs l'aciditat ò la basicitat e l'aiga a lo comportament d'una espècia quimica amfotèra que sei pareus acid/basa son H₃O⁺/H₂0 (pK_a = 0) e H₂0/HO^– (pK_a = 14).

L'aiga a un poder de solvatacion fòrça important en causa de sei proprietats polaras, çò que li permet de tenir un ròtle centrau dins mai d'un procès biologic ò industriau. Ansin, plusors acids, saus ò moleculas organicas i an una solubilitat auta. Per exemple, lo clorur de sòdi a una solubilitat de 358,5 g/L à 20 °C. Dins la natura, l'aiga contèn donc totjorn de quantitats importantas de substàncias en solucion coma de clorurs (clorur de sòdi...) ò de carbonats (carbonat de calci...). En mejana, 3,6% de la massa d'una mòstra d'aiga de mar es constituïda de moleculas dissòutas. Aquò explica la capacitat de l'aiga de formar de depaus mineraus dins d'environaments variats (bauma, bornèus...).

L'aiga a de proprietats oxidoreductritz dins lei pareus H₂0/H₂ de potenciau estandard E⁰ = -0,827 7 V e O₂/H₂0 de potenciau estandard E⁰ = 1,23 V. Aquò correspond ai relacions :

L'electrolisi de l'aiga entraïna la formacion de diidrogèn e de dioxigèn. Pasmens, aquela reaccion necessita una aiga relativament pura. D'efiech, en preséncia d'impuretats, d'autrei pareus oxidoreductors pòdon intervenir.

L'aiga es capable de reagir gràcias a la preséncia de son moment dipolar, de sei doblets non liants, de sa capacitat d'establir de liames idrogèn, de sei proprietats acidobasicas ò de sei proprietats oxidoreductritz. Es ansin considerada coma una substància reactiva qu'es efectivament utilizada dins plusors reaccions. Dins aqueu quadre, sa premiera proprietat importanta es sa capacitat de s'addicionar, es a dire de s'integrar dins l'estructura d'una molecula ò d'un compausat ionic per i demorar ò per entraïnar la partença d'una partida de la molecula iniciala. Dins aqueu darrier cas, la reaccion es sovent dicha « idrolisi ». Un exemple classic de reaccion d'aqueu tipe es l'equilibri de l'esterificacion :

 

La preséncia de doblets non liants ò de liames idrogèn permèton tanben a l'aiga de participar a la formacion de complèxs. Sei proprietats oxidoreductritz li permèton de reagir amb lei metaus electropositius non cubèrts per un jaç d'oxids protectors (coma leis alcalins), lo carbòni ò d'oxids de carbòni. Dins certanei cas, la reaccion pòu èsser violenta en causa de son caractèr exotermic e d'un desgatjament de diidrogèn.

Un autre aspècte de la reactivitat de l'aiga es liat a sei proprietats acidobasicas. D'efiech, segon la definicion de Brønsted, es una substància amfotèra que pòu reagir coma acid ò coma basa. Es tanben un acid de Lewis en causa de sei doblets non liants que li permèton de reagir amb lei moleculas que presentan una lacuna electronica. Enfin, segon la teoria HSAB, l'aiga es un acid e una basa dur qu'a donc tendància de reagir amb leis autreis acids e basa durs.

L'aiga sembla d'èsser una molecula abondosa dins l'Univèrs que sa preséncia es estada detectada dins lo Sistèma Solar (Tèrra, autrei planetas, cometas, asteroïdes...), dins de nívols interstellars de la Via Lactèa e dins d'autrei galaxias. Aqueu fenomèn s'explica per l'abondància de l'idrogèn e de l'oxigèn. La cèrca d'aiga liquida sus un autre còrs celestiau es un aisse important de l'exploracion espaciala car permetriá benlèu de descubrir una vida extraterrèstra.

 

L'aiga a un ròtle primordiau dins la biosfèra. Son volum mondiau, considerable, es estimat a 1,36.10⁹ km³. Es principalament concentrat dins leis oceans e lei mars (97,25%), lei glaciers (2,05%) e leis aigas sosterranhas (0,65%). Lo rèsta se tròba dins la vapor d'aiga atmosferica, dins leis aigas de superficia, dins l'umiditat dei sòus e dins la biosfèra. Lei transferiments entre aquelei sèrvas, dichs cicle de l'aiga, son fòrça importants per explicar l'organizacion dau vivent e la formacion deis estructuras geologicas gràcias a l'erosion e lo transpòrt dei sediments.

 

L'aiga es indispensabla per la vida en causa de son poder solvent e de son ròtle dins l'organizacion de certanei teissuts vivents, especialament lei teissuts vegetaus. La premiera proprietat li permet d'assegurar lo transpòrt dei substàncias quimicas necessàrias au metabolisme de la planta. La màger part de l'aiga d'un organisme vivent es utilizada per aqueu pretzfach. Per exemple, en mejana, l'aiga de transpòrt representa 75% de la massa totala d'una planta.

Lo segond ròtle de l'aiga es liat ai liames idrogèn. D'efiech, permèton d'establir de liames pron fòrts per mantenir en plaça un teissut mai pron febles per rompre aisament e autorizar sa reorganizacion. Aquò es fòrça important dins lei teissuts vegetaus non lignificats car conferís una certana soliditat au teissut mai permet sa creissença. Ansin, l'aiga de constitucion representa aperaquí 15% de la massa totala d'una planta.

L'aiga es donc fòrça importanta per la subrevida de la flòra e, donc, de l'ensemble deis ecosistèmas terrèstres. Pasmens, sa qualitat es tanben problematica. En particular, leis aigas saladas, coma l'aiga de mar, contènon tròp d'ions per permetre lo transpòrt dei nutriments au sen d'un organisme. La preséncia de saus en quantitat tròp importanta a donc d'efiechs similars a l'ariditat que concentra la tenor de saus dins l'aiga en causa de l'evaporacion. En mejana, lei precipitacions son de 1 240 mm sus leis oceans e de 710 mm sus lei continents. Dins aquò, aquelei valors escondon una reparticion fòrça inegala que dicta fòrça la mesa en plaça deis ecosistèmas.

 

L'irrigacion es una deis utilizacions pus ancianas de l'aiga per l'òme. D'efiech, son existéncia es atestada durant lei periòdes finaus de la Preïstòria amb la sedentarizacion dei societats agricòlas. Permet principalament d'estendre l'umiditat de zònas umidas vèrs de sòus pus arids ont aumenta lei rendements. D'aplicacions pus raras son destinadas a fertilizar de tèrras gràcias au transpòrt de sediments druds ò a luchar còntra lei geladas.

Existís diferents tipes d'irrigacion que son sovent combinats entre elei. La pus coneguda es l'escolament de superficia que necessita de cavar de canaus e de regòlas per menar l'aiga a l'endrech necessari. Dins certanei cas, es ansin possible d'aigar de terrens situats a de centenaus de quilomètres d'una fònt. Una autra tecnica frequenta, especialament lòng dei rius poderós, es la submersion que demanda de construrre un ret de canaus e de restancas per inondar una zòna. Es un metòde caracteristic dei regions de risicultura. Enfin, lo darrier tipe major d'irrigacion es l'aspersion qu'assaia d'imitar lei precipitacions naturalas. Necessita sovent una sèrva.

De còps, s'utiliza de tecnicas de microirrigacion que permèton un apondon pus feble e pus localizat d'aiga. Lo principi èra ja utilizat en Grècia durant l'Antiquitat. De jarras d'argiela emplidas d'aiga èran enterradas, çò que permetiá una infiltracion lenta de l'aiga dins lo sòu. Uei, la microirrigacion utiliza generalament de procès complèxs contraròtlats per informatica. Son interès, especialament dins lei regions aridas, es d'adurre unicament la quantitat d'aiga necessària a la planta per limitar lei pèrdas per evaporacion. En revènge, es sovent pus costosa que lei metòdes tradicionaus.

 

En causa de l'importància de l'aiga per lo vivent, l'aiga potabla es una necessitat per lei societats umanas. Per aquò, son estadas desvolopadas de tecnicas de captatge, de purificacion e de distribucion. Lo captatge permet de transportar una quantitat d'aiga vèrs lo luòc de produccion d'aiga potabla. Existís tres tipes de captatge principaus :

• lo captatge dins lo jaç freatic. Permet de captar l'aiga sosterrenha contenguda dins lo jaç permeable de superficia. Aquò es sovent aisat mai lei volums d'aiga disponibles despendon dei precipitacions e son fòrça vulnerables a la pollucion.
• lo captatge de jaç prefond es similar au metòde precedent. Dins aquò, l'aiga es contenguda dins un jaç situat entre dos jaç geologics impermeables. Es donc sovent pus pura que l'aiga de superficia mai son renovelament es lent.
• lo captatge de fònts ò de rius es una tecnica que consistís a desviar una partida dau debit d'un corrent d'aiga. Segon lei regions, pòu demandar la bastida d'una infrastructura complèxa (canaus, restancas, aqüaducte...) mai permet de captar de volums fòrça importants. Un autre problema d'aqueu metòde es son impacte negatiu sus leis ecosistèmas, especialament durant lei periòdes de secaressa ò dins lei regions aridas. Enfin, coma lei jaç freatics, lei rius son sovent victimas de la pollucion.

La produccion d'aiga potabla met en òbra d'operacions variablas segon la puretat de l'aiga captada. A l'origina, lei captatges son chausits per seleccionats per limitar la quantitat de polluents. L'aiga bruta subis au mens dos tractaments. Lo premier es destinat a eliminar lei particulas en suspension, generalament gràcias a de tecnicas de filtracion ò de decantacion (floculacion...). Lo segond consistís a tuar lei microorganismes. Lo metòde tradicionau es basat sus l'apondon de clòr que permet una accion duradissa. Dins aquò, a tendància de donar un gost desplasent a l'aiga. Ansin, pòu èsser remplaçat per un autre gas, l'ozòn, que demòra pas dins l'aiga. Pasmens, en causa d'aquela disparicion, l'utilizacion d'ozòn necessita un ret de distribucion pron fisable per empedir una contaminacion bacteriana^[3]. Segon lei regions, aqueleis operacions pòdon èsser completadas per una correccion quimicas. N'existís tres tipes principaus :

• l'eliminacion de compausats metallics toxics coma lei saus de fèrre ò de manganès.
• la reduccion de la concentracion de carbonat de calci.
• la neutralizacion deis aigas acidas.

En certanei regions, aqueu procès de produccion es remplaçat per la desalinizacion de l'aiga de mar gràcias a de tecnicas de filtracion osmotica. Dins aqueu cas, après eliminacion dei bactèris, es necessari de remineralizar l'aiga. Costós, aqueu metòde produtz una aiga de qualitat febla e es donc utilizat dins lei zònas onte lei captatges son insufisents (regions aridas, illas...)

La distribucion de l'aiga potabla necessita la mesa en plaça d'un ret de sèrvas e de bornelariás. Lo dimensionament corrècte de l'infrastructura demanda donc lo mestritge de la mecanica dei fluids, especialament per assegurar una pression sufisenta per alimentar totei lei sortidas. Lei trabalhs per la bastir son donc complèxs. Son donc normalament una mission de l'Estat que pòu delegar la gestion dau ret a una companhiá privada.

 

La recuperacion deis aigas usadas es un l'enjòc important per l'igièna publica. D'efiech, pòdon favorizar lo desvolopament d'agents patogèns. Per exemple, lo bacil a l'origina dau colerà es generalament transmés gràcias a d'aigas contaminadas. Ansin, foguèron desvolopadas d'infrastructures permetent de collectar e de separar leis aigas usadas dau ret d'aiga potabla. Lei pus conegudas son lei conduchs sosterranhs que fòrman un ret enterrat permetent de canalizar leis aigas en fòra d'una aglomeracion. Pasmens, dins lei regions pauras ò pauc desvolopadas, pòdon encara s'utilizar de canaus exteriors mai ò mens estructurats.

Per protegir lei captatges e leis ecosistèmas ò prevenir leis epidèmias, lo tractament deis aigas usadas es vengut una obligacion dins mai d'un país durant la segonda mitat dau sègle XX. Per aquò, lei conduchs lei canalizan vèrs d'estacions d'epuracion. Dins aqueleis installacions, dos tipes de tractament pòdon èsser aplicats :

• lei tractaments biologics permèton de degradar lei matèrias organicas, generalament gràcias a l'utilizacion de bactèris.
• lei tractaments fisicoquimics permèton de suprimir lei matèrias organicas ò de redurre de pollucions impossiblas de degradar amb d'agents organics (metaus...).

L'industria es un utilizaire important dei ressorsas d'aiga. Leis aplicacions principalas son liadas ai proprietats termicas de l'aiga (turbina de vapor, eschambiaire de calor...) e a sei proprietats quimicas coma solvent e, pus rarament, coma reactius. Dins aqueu darrier cas, lei questions de puretat son sovent importantas e leis industriaus pòdon utilizar d'aiga potabla ò realizar lei sieus captatges. Dins lei regions industrializadas, aquelei prelèvaments pòdon representar de quantitats fòrça importantas (30% en Asia dau Sud-Èst en 2002). Son a l'origina de pollucions importantas en causa de la preséncia recurrenta de produchs quimics en solucion.

Se 71% de la superficia terrèstra es cubèrta d'aiga, 97% de l'aiga mondiala es salada e 2% es empresonada dins lei glaciers. La porcion disponibla per lei besonhs de l'umanitat e deis ecosistèmas es donc reducha. De mai, es inegalament despartit. En 2017, au mens 3,5 miliards d'èssers umans èran obligats de beure una aiga perilhosa ò de qualitat dobtosa e au mens 2,4 miliards èran pas connectats a un sistèma d'assaniment. Un autre problema grèu es la competicion entre utilizaires dins lei regions onte lei captatges pòdon pas assegurar un debit sufisent. La gestion dei ressorsas aqüifèras es donc una question importanta dins la màger part dei país.

Dins mai d'una region, de situacions de carestiás d'aiga son recurrentas entraïnant de problemas sociaus e economics (exòde de populacions, conflictes...). En 2020, un vintenau de país, principalament situats en Africa, èran regularament tocats per aquelei crisis. Pasmens, lei tensions èran a s'estendre en Asia en causa de l'aumentacion dei besonhs liats au desvolopament economic e a la reduccion dei provesiments d'aiga de qualitat en causa de la multiplicacion dei pollucions.

 

La pollucion de l'aiga es un ensemble de pollucions d'origina quimica, bacteriologica, visuala ò termica dei massas d'aiga doças, saumastras ò saladas, sosterranhas, de superficia ò oceanicas. Pòdon tanben tocar lei precipitacions (pluèja, nèu...) ò lei glaç dei regions polaras. Aquelei pollucions son un fenomèn ancian, probablament aparegut amb l'agricultura, que foguèt l'objècte de reglementacions tre lo periòde antic dins certanei regions. Dins aquò, amb l'industrializacion, a agantat de proporcions sensa precedents que menaçan la màger part deis ecosistèmas terrèstres.

Existís tres tipes principaus de pollucion :

• lei pollucions bacteriologicas son liadas a l'aumentacion anormala de la quantitat de matèrias organicas regitadas dins la natura. Entraïnan lo desvolopament gèrmes patogèns per un nombre important d'espècias, compres l'èsser uman.
• lei pollucions quimicas son fòrça variadas car despendon dei substàncias quimicas regitadas. Ansin, sei consequéncias son egalament fòrça variadas : proliferacion de certaneis organismes (nitrats, fosfats...), toxicitat (metaus...), efiechs negatius sus la reproduccion (PCB...), mutacions, acidifcacion deis aigas e dei precipitacions, aparicion de malautiás, radioactivitat... etc.
• lo curum plastic es una fònt de pollucion quimica en causa dei produchs eissits de sa degradacion. Pasmens, presentan de perilhs especifics en causa de la dificultat de degradar totalament lo materiau plastic. Ansin, a tendància de formar de brigas de talha variabla que pòdon asfixiar leis espècias marinas.

 

Lei prelèvaments d'aiga per l'òme, e leis activitats umanas en generau, pòdon engendrar de trèbols dau cicle de l'aiga. Aquò a sovent d'impactes negatius sus la fauna e la flòra. Leis efiechs de tèrme cort son relativament ben coneguts. Lei principaus son la consequéncia dei captatges d'aiga que reduson lo debit dei jaç freatics e dei rius. En causa de la demenicion dau volum d'aiga, concentran la pollucion e agravan son accion. De mai, dins certanei cas, pòdon entraïnar l'assecament dau riu, çò que causa la destruccion dei mitans aqüatics e de conflictes entre utilizaires. Un exemple caracteristic es lo fluvi Colorado qu'es fòrça polluït e regularament assecat per contentar lei besonhs dei vilas e deis agricultors dau Sud-Oèst deis Estats Units d'America.

Lei consequéncias dei trèbols de tèrme lòng son mens coneguts. Pasmens, semblan de renfòrçar lei premiers. D'efiech, la màger part son lo resultat dau rescaufament climatic globau. Per exemple, la pollucion de l'aire per de particulas finas favoriza la fonda dei nèus vengudas pus sornas. Lo rajament vèrs la mar d'aquela aiga es ansin pus rapid, çò que redusís lo debit mejan dei rius e accelera l'assecament dei jaç freatics. Se gardam l'exemple de Colorado, aqueu fenomèn podriá causar una baissa de 7% à 20% dau volum mejan dau fluvi durant lo sègle XXI^[4].

 

En causa de son ròtle vitau ò de son accion destructritz, l'aiga a un ròtle important dins la cultura umana. Au nivèu religiós, a ansin una plaça larga dins lei mites umans amb la creacion de divinitats, de legendas ò de rites liats a l'aiga (Poseidon, Diluvi, batejament...). Dins lei premierei teorias filosoficas, de còps integradas dins de tèxtes teologics, l'aiga èra un element constituent de la matèria, generalament amb lo fuòc, l'aire e la tèrra.

• (fr) L. Legrand e G. Poirier, Chimie des eaux naturelles, Eyrolles, 1975.
• (en) S. Postel, Last Oasis: Facing Water Scarcity, W.W. Norton and Company, 1992.