Les Concentrations.

Concentrations molaires.

Elles sont à utiliser dans toutes les équations d'équilibre. En effet les concentrations molaires sont des grandeurs thermodynamiques (au même titre que les pressions, ou la température absolue). Elles doivent donc être utilisées dans toutes les équations qui découlent de la thermodynamique ce qui est le cas des équations d'équilibre.

Elles correspondent au nombre de moles de produit dissous dans l'unité de volume.

Exemple : Concentration molaire d'une solution de 20 mg.L-1 de Calcium de masse molaire : 40 g.mol-1 :

[Ca2+]== 5.10-4 mol.Ll-1.

[Ca2+]=0,5 mmol.L-1.

Concentrations en ppm, ppb.

Les anglo-saxons utilisent fréquemment les concentrations exprimées en ppm et ppb.

1 ppm = 1 partie par million =1 mg.kg-1 1 mg.L-1 .

1 ppb = 1 partie par milliard = 1 mg.t-1 1 mg.L-1 (one billion=un milliard)

Concentrations en eq.L-1 et unités dérivées :

Concentrations molaires

Concentrations en ppm, ppb
Concentrations en eq.L-1
Unités dérivées
Concentrations rapportées à une espèce


Balance "massique".
111 g de chlorure de calcium se répartissent en 71 g de chlorures et 40 g de calcium : il n'y a pas équilibre des quantités massiques des anions et des cations.

L'électroneutralité d'une solution comprenant différentes espèces ioniques permet d'écrire une relation du type :

[H+]+2.[Ca2+]+2.[Mg2+]+[Na+]+[K+]=
[OH-]+2.[CO32-]+[HCO3-]+[Cl-]+[NO3-]+2.[SO42-]

Cette équation exprime l'égalité des charges électriques portées par les cations d'une part, et les anions d'autre part.

Par exemple nous avons vu qu'une solution de 20 mg.l-1 de calcium est une solution dont la concentration molaire est : [Ca2+]=0,5 mmol.L-1. Le nombre de moles de charges électriques élémentaires est : 2x0,5=1 mmol.L-1. On peut alors écrire que la concentration en calcium est 1 mmol.L-1 de charges électriques élémentaires.

Si l'on définit une unité appelée équivalent telle que : l'équivalent est égal à 1 mole de charges électriques élémentaires, l'écriture peut être simplifiée en écrivant :

[Ca2+]=10-3 eq.L-1.

On définira le milli-équivalent comme étant égal à 1 mmol de charges électriques élémentaires.

La masse nécessaire pour porter 1 équivalent est fonction de l'espèce ionique. Cette masse s'exprime par la relation : avec : Mx en g.mol-1
et n en eq.mol-1 et est appelée équivalent-gramme.

n : valence de l'ion (unité : nombre de moles de charges électriques élémentaires portées par une mole d'ion : soit avec la notation proposée eq.mol-1 ),
Mx : masse molaire de l'ion.

Exemple : un équivalent-gramme d'ion sulfate vaut : =48 grammes par équivalent.

Pour passer des concentrations massiques aux concentrations exprimées en quantité de charges électriques (eq.L-1) il faut donc réaliser deux opérations :

1. Déterminer l'équivalent-gramme de chaque espèce.
2. Diviser la concentration massique par l'équivalent-gramme.

Ex : Equivalent-gramme du calcium : 20 mg.meq-1 ; Concentration massique : [Ca2+]=100 mg.L-1 alors : [Ca2+]=5 meq.L-1.

Si toutes les concentrations sont exprimées en meq.L-1 la balance ionique de l'eau vue plus haut peut alors s'écrire :

[H+]+[Ca2+]+[Mg2+]+[Na+]+[K+]=
[OH-]+[CO32-]+[HCO3-]+[Cl-]+[NO3-]+[SO42-]

L'utilisation de ces unités permet d'écrire plus aisément la relation d'électroneutralité.

Remarque : une solution normale contiendra un équivalent de soluté par litre de solution. Une solution décinormale contiendra un dixième d'équivalent par litre, ...

Exemples :
Solution normale d'acide chlorhydrique : 36,5 g.L-1 d'HCl (masse molaire : 36,5 g.mol-1, valence : 1).
Solution normale d'acide sulfurique : 49 g.L-1 (masse molaire : 98 g.mol-1, valence : 2).

Unités dérivées.

- le degré français : ºf. Il est défini par : 1 ºf= 0,2 meq.L-1.

- ppmX : Une solution à 1 mg.L-1 de soluté X porte une charge de meq.L-1.

On peut alors écrire : 1 ppmX= meq.L-1.

Exemple :
1 ppm CaCO3= meq.L-1, soit encore ºf.

Ces unités (ppm CaCO3, ppm CaO, ppm MgO, ...), sont utilisées parfois par commodité lors de traitements particuliers de l'eau (décarbonatation à la chaux, reminéralisation, ...).

Exemple : 1ºF correspond à 10 mg.L-1 de CaCO3 ; 1meq.L-1 correspond à 50 mg.l-1 de CaCO3; etc...

Concentrations rapportées à une espèce.

Les produits utilisés en traitement de l'eau peuvent se présenter sous de multiples formes.
Ces produits peuvent :

Il est donc nécessaire d'avoir un langage commun au fabricant de produit, au législateur, à l'utilisateur, ...

Ainsi par exemple pour les EDCH, la concentration maximale en phosphore est de 5 mg.L-1 exprimé en P2O5 (anhydride phosphorique ou pentoxyde de phosphore).
Une mole de P2O5 à une masse de 142 g et contient 2 moles de P. Cette concentration limite en phosphore correspond donc à : mmol.L-1 de P.
Soit : mg.L-1 (2,18 mg.l-1) de phosphore exprimé en P.

Dénomination

Masse molaire

Formulation

Phosphore

31 g.mol-1

P

Phosphate trisodique anhydre

164 g.mol-1

Na3PO4

Phosphate trisodique hydraté

380 g.mol-1

Na3PO4,12 H2O

Phosphate disodique

140 g.mol-1

Na2HPO4

Anhydride phosphorique ou pentoxyde de phosphore

142 g.mol-1

P2O5

Ion orthophosphate

95 g.mol-1

PO43-


Balance "ionique".
La même quantité que précédemment apporte autant de charges électriques aux chlorures qu'il y en a de moins au calcium.
L'électroneutralité exprime cette constatation.