activité 8

Par barrere — Dernière modification 17/02/2016 16:09

Du cycle court au cycle long

Activité 8a : Les phénomènes géologiques qui régissent le cycle du carbone à long terme.

Activité 8b : Comment mettre les élèves en activité sur les différences cycle court / cycle long ?

Dosage des HCO₃^- dans l'eau d'une rivière.

Voici une expérience facile à réaliser pour déterminer la concentration en ions bicarbonates dans une eau de rivière et par suite la vitesse de consommation de CO2 atmosphérique (flux) par l’altération des roches.

Principe

On utilise de l'acide HCl dont on a préparé soigneusement le titre (Ca, entre 0,01 et 0,1 M). La manipulation consiste à ajouter lentement l'acide dans un volume de rivière soigneusement mesuré (Vo) et à noter, pour chaque volume ajouté, l'évolution du pH de la solution. Le pH de la solution initiale est compris entre 7 et 8 pour une eau suffisamment tamponnée. Le pH décroît lentement au début, ce qui signifie que la rivière tolère l'ajout d'acide sans que son pH ne varie fortement. Lorsqu'on approche du point d'équivalence, la diminution du pH s'accélère. Dans la première partie (plate) de la courbe, la réaction chimique qui consomme les protons H⁺ qu'on ajoute est la réaction totale suivante :

HCO₃^-+ H⁺ = H₂CO₃

Cette réaction a lieu jusqu'à ce que la totalité des HCO₃^-ait été consommée. Au point d'équivalence de la courbe (qui permet de déterminer Ve), on a la relation fondamentale :

[HCO₃^-] xV_o = V_exC_a

Ainsi, si on connaît Vo, Ca et Ve, on en déduit la "réserve alcaline" d'une eau (le pouvoir tampon), qui dans la plupart des cas (cas de toutes les eaux de rivières françaises se réduit aux seuls ions HCO₃^-. On détermine une concentration en mol/l, ou plus classiquement en micromol/l (µmol/l).

NB: il est nécessaire de travailler sur de l'eau filtrée et, bien entendu, d'étalonner le pH mètre auparavant.

Grâce à la concentration et une connaissance même approximative du débit de la rivière (facilement estimable sur le terrain), on évalue la quantité de carbone transitant en un point par unité de temps (un flux).

Flux (mol C/an) = [HCO3-] (mol/l) * Débit (l/an)

Le flux spécifique désigne le flux normalisé à l’échelle du bassin versant et s’exprime en mol C/ Km²/an. Il permet de comparer des rivières de tailles différentes. C’est une vitesse de consommation de CO₂ par altération des roches dans le cas d’un bassin versant entièrement silicaté.

Pour obtenir des données sur le cours d’eau choisi. La banque de données Hydro RNDE du ministère de l’aménagement et du territoire s’avère très utile. On y trouve notamment le débit ainsi que la surface du bassin versant.

Expérience témoin

On peut faire le dosage de l'alcalinité décrit plus haut sur une solution d'eau distillée qu'on a laissé s'équilibrer (une journée) avec le CO₂ atmosphérique (éviter l'ambiance des salles de classe, riches en CO₂). On s'aperçoit qu'il est quasiment impossible de déterminer le point d'équivalence car le pH de la solution chute dès le premier ajout d'acide. On démontre ainsi qu’il n'est pas possible d'expliquer les concentrations de HCO₃^- mesurées dans les eaux de rivière par un simple équilibrage du dioxyde de carbone atmosphérique dans les eaux de surface. Il faut donc invoquer un mécanisme différent. Ce mécanisme, c'est l'altération des roches.

Exemple de la Loire

Géologie du bassin versant de la Loire : 2/3 du bassin est à dominante silicatée, 1/ 3 à dominante calcaire.

Surface du bassin à Tours: 42 130 Km2. La moitié du fleuve a évolué sur un substrat silicaté, l’autre moitié sur substrat calcaire.

Débit de la Loire : 810 m³/s soit 2.5 * 10¹⁰m³/an

Matériel nécessaire

Une micropipette
2 * 40 mL d’eau de Loire
Acide chlorhydrique 0.1 M
Un Ph-mètre étalonné
Un petit bécher
Papier, crayon

Mode opératoire

Voir principe plus haut.

Avec l’évolution du pH notée soigneusement, on trace la courbe Ph en fonction du volume de HCl ajouté.

La méthode des tangentes permet de déterminer Ve
La relation [HCO₃^-] x V_o = V_ex [HCl] permet de déterminer [HCO₃^-]

La méthode des tangentes permet de déterminer Ve = 0,74ml

Ve * [HCl] = Vo * [HCO3-]

[HCO₃^-] = (0,74*0.1)/40

[HCO₃^-] = 1,85 * 10^-3moles/L

= 112 mg/L

Dans le cas de l’eau distillée équilibrée avec l&rsquorsquo;atmosphère, on s’aperçoit qu’il impossible de déterminer le point d’équivalence, le pH de la solution chutant dès le premier ajout d’acide. La quantité de HCO₃^- est très faible.

Il n’est pas possible d’expliquer les concentrations de l’eau de Loire par un simple équilibrage avec le CO₂ atmosphérique. Il faut invoquer un mécanisme différent. : l’altération.

Exercice 1

1.Calculer le flux en moles de CO₂/an et le flux spécifique (flux rapporté à la surface du bassin versant) en moles de CO₂/km²/an. Exprimer ces deux flux en tonnes de CO₂ puis en tonne de C.

Un fichier EXEL d’aide au calcul est disponible ici.

2. Si on se réfère au bilan des équations (I), seule l’altération des silicates consomme à long terme du C0₂atmosphérique. A Tours, la moitié du bassin est silicaté, l’autre est carbonaté. Calculer alors la consommation réelle de CO₂ atmosphérique.

Comparaison avec la productivité primaire nette sur le bassin versant

Exercice 2

1.Se rendre Sur le SIG en ligne à l’adresse suivante, NDGC.NOAA et déterminer la productivité primaire moyenne nette pour la France, en zoomant sur la zone d’intérêt dans un premier temps, et en utilisant l’outil de sélection par polygone accessible avec l’icône Délimiter une surface s’apparentant au bassin versant de la Loire et soumettre la requête en utilisant les boutons situés au-dessous de la carte.

2.Comparer avec la consommation de C par l’altération des roches silicatées sur ce même bassin versant. (Il y a 56% de C dans la matière organique produite par photosynthèse)

Activité 8c : Ordre de grandeur de la taille du réservoir carbonaté.

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Équipe INRP de l'académie d'Orléans-Tours.

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