Chimie de l'eau

Alors oui l'eau est un véritable produit chimique. La formule magique que l'on connait tous, c'est H2O, c'est à dire 2 atomes d'hydrogène et 1 d'oxygène. Evidemment cela serait trop simple et l'eau, nous le savons tous, ce n'est pas que cela, d'abord par ses qualités acides ou basiques, puis par ce qui y est dissoud, à commener par le sel. On va donc commencer par parler de Ph, et de densité, de dureté, de calcium.


Préambule à la compréhension des équations chimiques:
Pour comprendre les formules chimiques, l'eau H2O veut dire 2 atomes d'H et 1 d'O, tout comme le sel de mer NaCl est un assemblage d'1 atome de sodium et d'1de chlore, NaHCO3 est une molécule comportant 1 atome de Sodium, 1 d'hydrogène, 1 de carbone et 3 d'oxygène. Les abréviations sont: H hydrogène, O oxygène, Na sodium (anciennement natrium...), C carbone, Cl chlore, Ca calcium. Les signes + ou - que l'on trouve à la fin de certaines formules indiquent que suite à la séparation d'une molécule, les morceaux qui en sont issus sont chargés électriquement (l'un a piqué des électrons à l'autre, -- veut dire 2 charges négatives).


La densité:
Voilà une notion assez simple. On définit le kilogramme comme étant la masse d'un litre d'eau pure. Or tous les coposants chimiques scientifiquement connus existent sous forme dissoute dans l'eau de mer naturelle.Quelques-uns d'entre eux ne sont présents qu'à l'état de traces et sont de ce fait appelés oligo-éléments. D'autres sont présents en plus grande quantité et sont appelés éléments principaux.Le plus importants est le sodium, autrement dit le sel. Sa concentration correspond à celle contenue dans le sang humain, ce qui tend à nous faire remonter aux origines de l'homme, qui vient vraissemblablement de la mer il y a quelques millions d'années.
La teneur en sel exprimée en « pour mille » est très précise, mais une fois que le sel est dissous,, on ne peut plus mesurer cette valeur simplement. On utilise alors une technique de mesure simple: on tient compte su poids de l'eau qui augmente en y rajoutant du sel. En ajoutant quelques grammes de sel par litre, on sait que ce litre sera plus lourd. En utilisant la loi d'Archimède qui veut que tout corps plongé dans un liquide (en ressort mouillé certes) mais subit une force égale au volume qu'il déplace, on explique pourquoi l'on flotte plus en Méditerranée qu'en Atlantique, en encore plus sur la Mer Morte. C'est aussi par ce principe que fonctionnent nos densitomètres flottants. Attention cependant la mesure de densité de ceux-ci n'est valable qu'à une température donnée. Quant aux réfractomètres, ils utilisent un principe optique, la réfraction, soit le changement de direction que subit un rayon lumineux en passant d'un milieu optique donné à un autre. Certains compensent les variations dues à la température.
Un ajout de 33,3g de sel dans une eau pure donne une concentration de 1,022.

Les valeurs limites tolérées par les coraux et autres invertébrés se situent entre 1,020 et 1,025 voire 1,027. En milieu naturel, elle est de 1,023 à 1,025 selon les mers d'où proviennent nos animaux.

Voici un tableau vous permettant de savoir combien mettre de grammes de sel par litre d'eau (attention avec le temps le sel devient humide et il faudra peut-être augmenter ces valeurs jusqu'à 15%, il vaut toujours en mettre moins que trop car on peut toujours en rajouter):

densité<-> ppt sel sec <-> g/l de sel
1020 <-> 28,7 <-> 33
1021 <-> 30,0 <-> 34,5
1022 <-> 31,4 <-> 36
1023 <-> 32,6 <-> 37,5
1024 <-> 34,0 <-> 39
1025 <-> 35,2 <-> 40,5
1026 <-> 36,6 <-> 42

En pratique la densité de nos bacs diminue au fil du temps, car le liquide contenu dans la coupelle et éliminé de nos écumeurs contient du sel, que chaque prélèvement d'eau (par exemple sac pour vente de boutures) et chaque intervention dans le bac supprime une faible partie de l'eau que nous essuyons de nos bras. Celle-ci est compensée par de l'eau douce, avec la conséquence que l'on connait. Pour combattre cette baisse de densité, vous pouvez compenser une partie de l'évaporation avec de l'eau de mer, effectuer votre changement d'eau avec une eau de densité légèrement supérieure (attention aux crevettes entre autres qui supportent mal les variations brutales ) ou encore enlever moins d'eau du bac que celle que vous apportez lors de votre changement (celle-ci s'évaporera , provocant l'augmentation de la densité avant que votre osmolateur ne reprenne son boulot une fois le niveau redescendu).
Certaines méthodes de compensation du calcaire provoquent une augmentation de la densité (méthode Balling, ajout de calcium en solution bicomposant).
A surveiller de temps en temps, en particulier à chaque changement d'eau ou en cas de valeur anormale à modifier.

Ph:
L'explication de la dissolution des sels est longtemps restée une énigme: ce sont les physiciens et chimistes pionniers en électrochimie qui, étudiant la conductibilité électrique des solutions, ont soupçonné une possible voie de recherche. Faraday, Grotthus, Clausius, Plancke, Arrhenius furent des partisans de la théorie de l'ionisation en solution, cad le fait que dans l'eau certains atomes ou molécules perdent ou gagnent une charge électrique. Les cations sont des ions chargés positivement, les anions des ions chargés négativement.

L'hydrogène est l'atome le plus simple. Et dans l'eau se baladent des protons d'hydrogène avec leur charge positive, H+, issus de notre chère H2O, qui vont se lier ou quitter celui-ci, donnant du H3O+ et du HO-.
Le potentiel hydrogène (ou pH) mesure l'activité chimique des ions hydrogène (H+) en solution.
Ainsi, dans un milieu aqueux à 25°C, une solution avec un pH:
inférieur à 7 est acide;
supérieur à 7 est basique;
égal à 7 est neutre.


Une solution aqueuse est considérée comme acide quand elle contient plus d’ions H3O+ que l’eau pure.
Inversement, une solution aqueuse est considérée basique quand elle contient plus d’ions hydroxydes HO- que l’eau pure.
Le pH évolue au cours de la journée. Il sera plus élevé le soir que le matin. Cela principalement à cause du gaz carbonique CO2. Gardez à l'esprit que les molécules sont aptes à se dissoudre, se lier, que « rien ne se perd tout se transforme », et que les réactions chimiques peuvent être réversibles et se dérouler dans un sens comme dans l'autre. C'est ainsi que le CO2 dissoud va se combiner avec de l'eau: H2O+CO2= H2CO3 c'est à dire de l'acide carbonique, et donc acidifier notre bac. Il provient de la respiration des animaux (on consomme de l'oxygène et on rejette du CO2) et de sa dissolution au contact de l'eau (surface eau/air du bac). Mais ce CO2 va être consommé dans la journée par les algues supèrieures, inférieures et les zooxanthèles de nos coraux par photosynthèse, qui relacheront alors de l'oxygène (ces petites bulles que l'on peut voir sur les algues, les cyanobactéries...). Le brassage ou le bullage va également permettre de dégazer une partie de ce CO2 qui retournera à l'air avec pour conséquence de « désacidifier » et donc de remonter le pH. La nuit, c'est le contraire et nos animaux continuent de respirer et le CO2 s'accumule. Pourvu que vous ayez un RAC (qui fonctionne d'ailleurs de cette même manière: injection de CO2 dans l'eau pour l'acidifier avec de l'acide carbonique et dissoudre le substrat), il rejette de l'eau à pH plus faible que celui de votre bac, aux alentours de 6,8/7 .

Le pH va donc descendre pendant la nuit et remonter la journée (variation +/- 0,2).
Les valeurs acceptables se situent entre 7,9 et 8,6, l'optimum étant 8,2, comme dans le milieu naturel. Une fois bien équilibré, avec une bonne dureté, le pH n'est à surveiller que de manière espacée.


Comment faire varier le pH? Le premier et le plus simple serait de verser de l'acide ou une base dans le bac. C'est évidemment délicat avec les animaux, et je déconseille les produits chimiques... Sachez que chaque bac tourne de manière différente, qu'un bac mature est bien plus stable. Si vous n'y arrivez pas, faites un gros changement d'eau. Pour faire varier le pH de son bac, on va surtout jouer sur la concentration en gaz carbonique CO2 et donc sur celle de l'acide carbonique. Pour diminuer le pH (c'est rarement le cas dans un bac d'eau de mer), plusieurs solutions: injecter directement du gaz carbonique ou encore filtrer sur des substrats acidifiants comme les feuilles de chêne ou la tourbe (c'est valable pour les bacs amazoniens). Pour l'augmenter, on va par exemple insérer un bulleur. Celui-ci va dégazer l'eau de son gaz carbonique, et donc diminuer la concentration d'acide carbonique. On peut aussi éclairer plus longtemps son bac; la photosynthèse sera prolongée, elle consomme du CO2 pour produire de l'oxygène. C'est d'ailleurs une technique utilisée aussi par les refuges plantés et éclairés à l'inverse du bac principal, pendant sa phase nocturne; la photosynthèse continue à consommer du CO2 dans le refuge alors qu'elle s'est arrété dans le bac où il s'accumule; le pH varie alors moins entre le jour et la nuit, avec en plus le bénéfice de permettre à toute une microfaune de se développer à l'abri des prédateurs du bac principal avant de le rejoindre. L'ajout de kalkwasser pour compenser le calcium est une solution basique qui remonte le pH. Pensez aussi que plus le KH est élevé, plus les variations seront faibles (voire chapitre suivant).

Le KH, la dureté de l'eau carbonatée et ses effets:
Le KH représente la dureté carbonatée de l'eau. On l'exprime en degrés KH.
Elle mesure la concentration des carbonates et bicarbonates de calcium et magnésium. Cette concentration va avoir un effet tampon sur le pH de notre eau, cad que plus elle sera élevée, moins notre pH pourra varier.

Imaginez cela comme un assemblage chimique de plusieurs composants, certains capables de se lier avec l'oxonium H3O+ pour le neutraliser, d'autres capables de se lier avec l'hydroxyde HO- avec le même effet. C'est donc très important dans le volume restreint d'un aquarium, avec des animaux qui ne tolèrent qu'une certaine plage de pH, celui-si variant peu en milieu naturel. Par ailleurs, une partie de ces carbonates participe à la synthèse du calcaire par nos coraux avec le chlorure de calcium. Il a donc tendance à diminuer avec le temps.

Plus le KH est élevé, plus le pH sera stable. Il diminue dans le temps à cause de la synthèse du calcaire par les coraux. Minimum 6 et maximum 12, l'optimum est entre 8 et 9, 7 en milieu naturel. C'est un paramètre à surveiller constament, en particulier pour les bacs récifaux bien pourvus en coraux.

Concernant ses variations, il est là aussi rare de vouloir le diminuer. Le mieux dans ce cas est d'arrêter tout apport visant à l'augmenter, il diminuera avec la synthèse des tissus calcaires des coraux. Pour l'augmenter, on ajoute ce que l'on appelle du buffer. On en trouve dans le commerce. Il est également possible de se le composer à partir d'ingrédients disponibles en pharmacie ou auprès de spécialistes aquariophiles. Dans ce cas, préparez un mélange de 100g d'hydrogénocarbonate (bicarbonate de sodium) NaHCO3, de 20g de carbonate de sodium Na2CO3 et de 3g de borate de sodium Na2BO3. Ce dernier permet d'augmenter le pH du mélange qui, dans ces proportions, a une valeur 8,2, donc neutre pour l'eau de notre bac (le bicarbonate ayant un pH de 7,6). Avec cette préparation, une solution d'1 litre contenant deux grammes de ce buffer pour 100 litres d'eau à traiter par jour est à ajouter en goutte à goutte. Le réacteur à calcaire permet aussi le maintien du KH. La compensation du calcaire par des produits bicomposant contient également du buffer (voir chapitre sur le calcium). Les lits de sable (méthode Jaubert) permettent aussi de relacher dans le bac une partie de leur calcium et d'augmenter la dureté, dans une très faible proportion (les substrats utilisés se dissolvent à des pH bien inférieurs à ceux de nos bacs).

Le Calcium:
Voici une des valeurs les plus importantes, car le calcium est nécessaire aux plantes et aux animaux. Dans le milieu marin, le calcium est puisé directement dans l'eau et les tissus calcaires sont synthétisés à partir de calcium Ca++ et d'hydrogénocarbonate:
Ca++ +HCO3<->CaCO3 + H2O + CO2
Cette formule, comme toutes les équations chimiques, fonctionne dans les deux sens.

Le taux de calcium est à surveiller constament. Sa valeur doit être comprise entre 370 (on peut descendre jusqu'à 250 pour des bacs sans coraux durs) et un maximum de 470 (au-delà, on a des risque de précipitation, cad que ce calcium va se transformer en solide calcaire, blanchir l'eau et les pierres, le taux va chuter et il devient non assimilable par les coraux). La valeur optimum, comme dans la nature, est de 420.

C'est là encore une valeur que l'on ne souhaite pas diminuer, sauf en cas de surdosage des ajouts; il suffit alors de les suspendre et d'attendre que les animaux en puisent assez pour revenir à des valeurs acceptables. Il existe plusieurs méthodes pour l'augmenter, nous allons les voir avec leurs avantages et inconvénients.

La solution dite monocomposant:
Il s'agit de chlorure de calcium CaCl2. On peut la préparer soi-même, à 30%, soit 30g de poudre de CaCl2 dans 100ml d'eau osmosée. En tout elle contiendra environ 8g de calcium (et oui le reste c'est le poids des Cl2)! Cela permet d'augmenter rapidement le taux dans l'aquarium.
En pratique, imaginons que vous ayez 370mg/l de calcium et que vous vouliez 420. Il va falloir augmenter de 50mg/l. Sur un bac de 300l, 50x300=15000 mg soit 15g de calcium. Et comme ma solution contient 8g pour 100ml, avec 200ml j'aurai apporté 16g. Je vais la couper en 10 pour en ajouter chaque jour pendant 10 jours en goutte à goutte et diluée dans de l'eau osmosée (ceci ne tient pas compte de la consommation journalière). Facile non?
Trop peut-être car effectivement là aussi on va créer un déséquilibre ionique. Notre chlorure de calcium va se couper en Ca++ et Cl2--. Le calcium sera consommé et l'accumulation ionique est due au Cl- et peut-être à d'autres ions (on atteint ici mes limites de chimiste, de nombreuses autres réactions peuvent entrer en jeu, je ne les connais pas).

Avantage: très simple à utiliser et à calculer.
Inconvénient: déséquilibre ionique dans le temps.


D'où l'idée d'utiliser des solutions bi-composants pour neutraliser cet excès de Cl, en fait du buffer (tampon) en plus de notre chlorure de calcium. Et on va voir autre chose se produire...

La solution dite bicomposant:
Il s'agit de chlorure de calcium CaCl2, de bicarbonates de sodium NaHCO3 et de carbonates de carbonates de sodium Na2CO3. Et là pas de dérive ionique. En effet voici ce qui se passe:
CaCl2 + NaHCO3 + CO2 + H2O <-> Ca++ + 2HCO3 + 2NaCl
CaCl2 + 2NaHCO3 <-> Ca++ + 2HCO3 + 2NaCl
Cela parait compliqué, ce qu'il faut retenir en survolant ces réactions, c'est qu'à droite on obtient notre calcium Ca++ mais que vous voyez à chaque fois apparaître 2NaCl, le sel de mer. Conclusion: pas de dérive ionique mais on va là aussi augmenter notre densité, comme dans la méthode Balling.
Avantage: simplicité de la méthode, pas de dérive ionique.
Inconvénient: attention à l'augmentation de la densité.


L'eau de chaux ou kalkwasser et le RAH:
inventée par Peter Wilkens, cette méthode consiste à ajouter de l'hydroxyde de calcium Ca(HO)2. Préparez une cuillère à café dans 1 litre d'eau, laissez décanter et ne versez que la partie translucide, l'eau de chaux, en goutte à goutte dans le flux d'une pompe (le matin est la période la plus appropriée, lorsque le CO2 est au plus haut et le Ph au plus bas). Voici simplement les avantages et inconvénients (sauf si vous insistez, je zappe les formules rébarbatives pour l'instant):

Avantages:
+augmentation du Ca bien-sûr, facilité de mise en oeuvre.
+augmentation du Ph (ce n'est pas le but principal mais c'est bien dans une certaine limite).
+génération de carbonates permettant la calcification.
+réduction des phosphates (dixit J L CUQUEMELLE, je n'ai pas l'explication chimique...) et ça c'est cool aussi!

Inconvénients:
-surdosage très dommageable: risque de précipitation et du coup baisse des concentrations magnésium et calcium! Ne dépassez pas 470mg/l de Calcium (c'est trop haut déjà) et un Ph de 8,6. Cette précipitation survient à des taux de Ca supèrieur à 500 ou lorsque le CO2 est insuffisant.
-diminution du taux de bicarbonates (transformés en carbonates) donc perte de pouvoir tampon, de Kh. L'ajout conjoint de buffer est donc nécessaire.


Le RAH est un simple tube contenant du kalkwasser, agité régulièrement, dont l'eau en partie supérieure est injecté lentement. Certains se servent de ce système pour compenser l'évaporation.

Le réacteur à calcaire ou RAC:
Le principe est simple. On utilise là encore du gaz carbonique pour acidifier l'eau qui passe au travers d'un substrat. Sous l'effet de l'acide carbonique, celui-ci va se dissoudre et libérer du calcium et des carbonates, exactement l'inverse au processus de calcification. Notez que la qualité du substrat est importante. L'aragonite se dissoud à un pH inférieur à 7,5 tandis que la calcite à un pH inférieur à 6,5; on comprend donc qu'il vaut mieux utiliser la première. La taille du réacteur dépend de la taille du bac. Toute la difficulté de ce système est le réglage de la consigne CO2 et du débit. Les plus simples appareils sont livrés avec un compte bulle qui permet de voir le nombre de bulle de CO2 diffusé dans le réacteur. Il faudra alors mesurer le pH à l'intérieur. Les plus sophistiqués utilisent une sonde mesurant le pH, éventuellement couplé à une électrovanne qui régule l'arrivée du CO2. Il est admis de commencer le réglage avec un débit d'environ 1% du volume total du bac par heure (si votre bac fait 400l, régler le débit pour 4l/h). Une fois bien réglé, une diminution de débit fera augmenter le KH et une augmentation fera augmenter le calcium rejeté.
Voici ce qui se passe à l'intérieur:
l'injection de CO2 acidifie l'eau: CO2+H2O<->H2CO3<->H+ + HCO3-
les réactions avec le calcaire sont: CaCO3+H2O+CO2<->Ca++ + 2HCO3-
puis CaCO3+ HCO3- + H+ <-> Ca++ + 2HCO3-

Une partie de l'acidité due au CO2 est partiellement neutralisée par les carbonates et leur pouvoir tampon, mais il faut veiller au pH de sortie et à celui du bac.

Avantage: méthode simple et sans grand entretien si bien réglée et stable.
Inconvénient: le réglage demande du temps, de la patience au départ. Il peut évoluer au cours du temps avec la pousse des coraux et surtout leur nombre croissant dans le bac. Attention au fait que l'on acidifie l'eau!


La méthode Balling:
Pour résumer, on introduit 3 solutions dans le bac:
1. Du chlorure de calcium (dihydraté, cad avec 2H20): CaCl2-2H20 . C'est lui qui va nous fournir le Ca pour compenser la consommation.
2.l’hydrogénocarbonate de sodium (NaHC03). C'est des carbonates, donc c'est bon pour remonter notre kh
3. Un sel composé d'oligots éléments sans sel marin NaCl (du sel sans sel, ils sont cons ces chimistes! Nan vous allez comprendre pourquoi très vite...).

Quand tu mélanges tout ça dans tes bidons et dans ta cuve, les petites molécules vivent leur vie matrimoniale chimique: mariages et divorces s'enchainent. La première solution va libérer du Ca, restera le Cl2 (évidemment le H20 on s'en f...). La deuxième va libérer des bicarbonates HCO3, restera le Na. Eh ben ces deux restes vont se combiner pour donner du NaCl, qui n'est autre que du sel de table. Et donc la densité va augmenter, il faudra la surveiller, en prélevant autant d'eau du bac que ce que l'on rajoute ensuite par exemple et/ou en faisant des changements d'eau moins denses que celle du bac. Et si vous regardez bien les deux formules chimiques, vous voyez que en 1 j'ai Cl2, cad 2 ions Chlore, alors que dans 2 je n'ai qu'un Na. C'est là qu'arrive le déséquilibre ionique. Pour avoir du NaCl vous comprenez qu'il faut deux ions de solution 2 (pour mettre 2 Na) pour un de solution 1 (qui contient déjà 2 Cl), sinon va y avoir des célibataires Cl qui sont chargés négativement, créant ce fameux problème. Les atomes ayant chacun leur poids, on ne va pas mettre 1g de 1 et 2g de 2,ce serait trop facile!!! Au vu de la masse respective de chacun, pour arriver à cet équilibre, il faudra mettre dans l'exemple donné par Preis pour 2 litres d'eau osmosée: 144 g de chlorure de calcium dihydraté Preis ; 163,8 g hydrogénocarbonate de sodium Preis et 48,75g –de sel minéral Preis.

Et voilà aussi pourquoi on met une 3eme solution sans sel marin NaCl, c'est parce que la combinaison des 2 premières le fournit déjà, comme je vous l'ai expliqué avec ce problème de densité qui augmente et qu'on veut pas de la morue salée dans nos bacs. Il contient les autres éléments en teneur plus faibles, les oligots éléments.

Avantage: ajouts automatisés une fois calculé la consommation journalière du bac.

Inconvénients: utiliser des pompes doseuses est assez cher, la méthode reste complexe par rapport aux autres, la densité est à surveiller et il y a risque de déséquilibre ionique.