(ENS 2006, Partie 2. L'altération des roches) On rappelle que les masses molaires des éléments suivants sont : C : 12g/mol ; Ca : 40 ; Al ; 27 ; Si : 28.

Présentation au sujet: "(ENS 2006, Partie 2. L'altération des roches) On rappelle que les masses molaires des éléments suivants sont : C : 12g/mol ; Ca : 40 ; Al ; 27 ; Si : 28."— Transcription de la présentation:

1 (ENS 2006, Partie 2. L'altération des roches) On rappelle que les masses molaires des éléments suivants sont : C : 12g/mol ; Ca : 40 ; Al ; 27 ; Si : 28 ; O : 16 ; H ; 1 ; Na : 23. 1. Rappelez ce qu'on appelle altération chimique. L'altération chimique est la réaction chimique entre le minéral et : - l'eau - l'air - les substances dissoutes Cette réaction aboutit à la mise en solution de certains éléments, et à la formation de minéraux d'altération

2 2. Les sols sont l'endroit préférentiel de l'altération. Il existe en Californie des sols qui se sont développés sur des terrasses marines dont la formation est bien datée. Ces sols se sont développés sur les alluvions granitiques en provenance des montagnes de la Sierra Nevada. Les principales phases minéralogiques ainsi que la teneur en calcium à différentes profondeurs d'un sol daté de 50 milliers d'années sont reportées sur la Figure 1. La réaction impliquant le pôle pur calcique des plagioclases peut s'écrire : CaAl 2 Si 2 O 8 + 2H + + H 2 O = Ca 2+ + Si 2 Al 2 O 5 (OH) 4 - Expliquez qualitativement les transformations minéralogiques qui se sont produites dans le sol.

3 Expliquez qualitativement les transformations minéralogiques qui se sont produites dans le sol. L'anorthite (plagioclase calcique) a été hydrolysée (ou acido-lysée ?). Cette réaction a donné du Ca 2+ en solution, et un minéral monosiallitique a été formé (de la kaolinite ?). CaAl 2 Si 2 O 8 + 2H + + H 2 O = Ca 2+ + Si 2 Al 2 O 5 (OH) 4 - Quelle est l'origine des ions H+ ? l'eau, les acides organiques, l'acide carbonique...

4 En supposant que la densité du sol ne varie pas avec la profondeur et est égale à celle de la roche mère (d=2,5), calculez la quantité de calcium perdu en 50000 ans dans une colonne de sol par rapport à la roche mère initiale. La ligne des concentrations du sol en Ca2+ passe à peu près par la diagonale du rectangle (profondeur)/concentration. Donc il reste à peu près la moitié de la teneur initiale en Ca 2+. Soit Q la quantité initiale, pour une colonne de 1 m 2, h = hauteur mv la masse volumique (en kg/m 3 ) t la teneur (en mg/g = g/kg) Q = masse*teneur = h * 1 * mv * t Q = 5 * 2500 * 30 = 375000 g = 375 kg donc la quantité perdue vaut Q/2 soit 188 kg/m 2

5 Déterminez ainsi la vitesse de libération du calcium en tonnes par km 2 et par an, c'est-à-dire la vitesse d'altération du calcium. 1 km 2 vaut 10 6 m 2 La quantité perdue vaut donc 188 10 6 kg par km 2 en 50 000 ans soit 188.10 8 / 50000 = 3750 kg.km -2.an -1 = 3,75 t par km 2 et par an CaAl 2 Si 2 O 8 + 2H + + H 2 O = Ca 2+ + Si 2 Al 2 O 5 (OH) 4

6 3. La dissolution du gaz carbonique dans l'eau de pluie dépend de la pression partielle de ce gaz dans l'atmosphère et de la constante de dissolution du CO 2 gazeux en acide carbonique (H 2 CO 3 ). Écrivez la réaction de dissolution et calculez à la concentration atmosphérique de 370 ppmV en CO 2 (parties par millions en volume, c'est- à-dire 370 x 10 -6 mol de CO 2 par mol d'air en supposant que les volumes molaires de CO 2 et d'air sont les mêmes), les concentrations de H 2 CO 3 et de HCO 3 - à l'équilibre attendues dans l'eau, On supposera que l'eau étant pure, la balance électrique (ou électroneutralité) impose que la concentration en HCO 3 - soit égale à celle des protons. La constante de dissolution du CO 2 dans l'eau est K = 10 -1,5 à 25 °C et 1 bar, la constante de dissociation de H 2 CO 3 est de 10 -6,4.

7 Écrivez la réaction de dissolution CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 -

8 La constante de dissolution du CO 2 dans l'eau est K = 10 -1,5 à 25 °C et 1 bar, Que signifie K - [H 2 CO 3 ] eau / [CO 2 ] air ?? - [H 2 CO 3 ] eau / p(CO 2 ) air ??? La pression doit-elle être prise en bars ou en pascals ? (d'après M. Guiot, c'est la coutume en chimie...) calculez à la concentration atmosphérique de 370 ppmV en CO 2 (parties par millions en volume, c'est-à-dire 370 x 10 -6 mol de CO 2 par mol d'air en supposant que les volumes molaires de CO 2 et d'air sont les mêmes), les concentrations de H 2 CO 3 et de HCO 3 - à l'équilibre attendues dans l'eau, Si K = [H 2 CO 3 ] eau / p(CO 2 ) air, alors [H 2 CO 3 ] eau = K.p(CO 2 ) air donc [H 2 CO 3 ] eau = 370.10 -6 * 10 -1.5 = 1,17.10 -5 moles par litre

9 Calculer la concentration de HCO 3 - : Kdiss = [HCO 3 - ].[H + ] / [H 2 CO 3 ] et [HCO 3 - ].[H + ] donc [HCO 3 - ]= sqrt(Kdiss * [H 2 CO 3 ] [HCO 3 - ] = sqrt(10 -6.4 * 11,7.10 -6 ) [HCO 3 - ] = 2,16 10 -6

10 4. La pression de CO 2 dans les sols est parfois de 100 fois celle de l'atmosphère. Pourquoi une telle différence ? Refaites le même calcul qu'en 3., avec une pression partielle de 100 fois celle de l'atmosphère. Si p(CO 2 ) est 100 fois plus forte, alors [H 2 CO 3 ] est aussi 100 fois plus forte. [H 2 CO 3 ] = 117 10 6 Par contre, [HCO 3 - ] n'est que 10 fois plus forte, car [HCO 3 - ]= sqrt(Kdiss * [H 2 CO 3 ] [HCO 3 - ] = 21.6 10 -6 Origine de cette grande quantité de CO 2 : - respiration des racines - oxydation de la matière organique du sol par des bactéries, champignons, vers...

11 5. On a mesuré dans une rivière de l'île de la Réunion, la composition suivante : HCO 3 - :1, 8 x 10 -3 mol/l ; Ca 2+ : 0,32 x 10 -3 mol/l ; H 4 SiO 4 ; 10 -3 mol/l. Cette rivière ne draine que du basalte, dans lequel la quantité de carbone est négligeable. Qu'en déduisez-vous sur l'origine des ions bicarbonates (HCO 3 - ) et de façon plus générale, sur le rôle de l'altération des roches à la surface de la Terre, La concentration en HCO 3 - est beaucoup plus élevée que dans l'eau pure. Cela s'explique par la neutralisation des ions Ca 2+, Na +, K +, Fe 2+... (telle qu'elle est montrée dans la question 2 :) CaAl 2 Si 2 O 8 + 2H + + H 2 O = Ca 2+ + Si 2 Al 2 O 5 (OH) 4 Les ions H + sont apportés par la dissociation de l'acide carbonique. On pourrait aussi écrire : CaAl 2 Si 2 O 8 + 2 CO 2 + 3 H 2 O = Ca 2+ + 2 HCO 3 - + Si 2 Al 2 O 5 (OH) 4 Les dioxyde de carbone participe à l'altération des roches terrestres

12 6. La quantité d'eau transitant dans cette rivière est de 2,4 m 3 /s, pour une surface de bassin versant d'environ 30 km². Calculez la vitesse d'altération du calcium dans ce bassin de l'île de la Réunion et comparez votre chiffre à celui déduit de l'analyse des sols californiens. Le débit de la rivière est 2,4 m 3 /s, soit 2400 litres par seconde. Soit Qs la quantité de calcium évacuée par seconde Qs = 0,32 10 -3 * 2400 = 0,768 mole/seconde Par an, la quantité Qa de calcium transportée vaut : Qa = Qs * 3600 * 24 * 365 = 24,22 10 6 moles par an La masse molaire du calcium vaut 40 g/mole. La masse de calcium évacuée par an vaut 40 * 24,22 10 6 g/an, = 969 10 6 g/an = 969 t/an. Cette quantité est évacuée sur un bassin de 30 km 2. Pour 1 km 2, cela fait 969/30 soit 32,3 tonnes par km 2 et par an. C'est beaucoup plus que pour le sol californien de la question 2 (3,75 t par km 2 et par an) Origine : le basalte est beaucoup plus altérable que les alluvions granitiques, car il contient beaucoup de Fe, Mg, Ca...

13 Calculez également la vitesse en mol/km 2 de consommation de CO 2 atmosphérique par altération des basaltes. Chaque ion Ca 2+ solubilité nécessite 2 H +, donc 2 HCO 3 +, donc 2 CO 2 consommé. - il y a 24,22 10 6 moles de Ca solubilisé sur les 30 km 2, donc - 24,22 10 6 /30 = 0,807 10 6 moles de Ca par km² soit 2 * 0,807 10 6 moles de CO 2 fixées par km² et par an Conclusion géologique intéressante : L'altération des roches (et ici en particulier du basalte) consomme une grande quantité de CO 2.

14 Rapport officiel du concours : Il est intéressant de constater que tous les candidats n’ont pas compris que le profil de sol était explicable par la dégradation de la roche mère et sa transformation en kaolinite. Quelque uns pensent que le sol s’enrichit en Ca avec la profondeur car la kaolinite réagit pour donner du plagioclase. L’origine des protons dans le sol n’est pas correctement traitée. On note deux réactions supplémentaires invoquées : l’autoprotolyse de l’eau et la précipitation du calcaire (qui libère des protons). L’autoprotolyse de l’eau ne libère que 10-7 mol/l de protons et la présence de calcaire n’est pas décrite dans le sol en question. Le calcul de la perte de Ca dans les sols n’était pas un calcul compliqué, il suffisait de comparer les aires des rectangles (5 m sur 30 mg) et du triangle (5 m sur 30 - 5 mg), mais très peu d’élèves arrivent à un résultat correct. Les calculs d’équilibre chimique de CO2 en solution aqueuse ont été fait correctement dans la plupart des cas. On note cependant que des élèves se compliquent inutilement l’existence en supposant que si n est la quantité initiale de CO2 qui va se dissoudre, la quantité à l’équilibre sera n-x ou x est la quantité qui a réagi. Cela est typique des raisonnements de chimie, mais dans la cas de la dissolution de CO2 atmosphérique dans l’eau, le nombre de mol qui réagit est infiniment petit par rapport à la quantité totale de CO2 qui n’est donc pas modifiée. La question 5 a été globalement mal traitée. Le lien entre la réaction de dissolution des silicates (qui nécessite des protons) et celle de dissolution du CO2 dans l’eau, qui en libère n’a généralement pas été vu. Il est souvent conclu que la dissolution des silicates permet de consommer du CO2 du sol, mais ce n’est que très rarement justifié. Curieusement, le calcul du flux de Ca sortant du bassin versant n’a pas été fait correctement. Il s’agissait d’une multiplication et d’une division.