Projet Chimie Physique Du Quotidien 1

7/25/2019 Projet Chimie Physique Du Quotidien 1

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Comment lenvironnement infuence les nuages ?

Virginie Lou L3 PhysiqueChimie

Marie Dayras L3 Chimie

Projet Chimie Physique duquotidien

Les nuages

Comment

lenvironnement

infuenceles nuages?


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!


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"ntroduction

Les nuages jouent un r#le de tout $remier $lan dans le syst%meclimatique& "l constitue lun des milieu' les $lus concentrs et les $lusracti(s de latmos$h%re&

La (ormation du nuage est due ) un re(roidissement de l*air& +n e,et-l*air chaud contient de la va$eur d*eau& .tant $lus lger que l*air (roid- ils*l%ve en altitude& De ce (ait- sa $ression diminue- il se re(roidit et est$rogressivement satur en humidit& Ce $rocessus $rovoque lacondensation de la va$eur d*eau en /nes gouttelettes minuscules gr0ce )la $rsence d*innom1ra1les $articules solides en sus$ension dans l*air& 2ne$remi%re $ellicule d*eau se condense sur ces noyau' de condensation- et$ermet au' gouttelettes de se dvelo$$er- ils jouent le r#le de catalyseur&

Les $articules qui (orment les gouttelettes nuageuses sont des $articules

totalement ou en $artie solu1les& C*est la com$osition de la $articule quidtermine la com$osition chimique initiale de la goutte deau du nuage-$uisque sa (raction solu1le va se dissoudre dans l*eau&

Ces $articules sont d*origines varies minrale- marine- humaine&

Les $articules les moins solu1les 4comme les $oussi%res dsertiques- le$ollen- les $articules $roduites $ar com1ustion5 restent dans lairenvironnant les gouttes&

Chaque environnement $oss%de sa $ro$re com$osition de lair& De

ce (ait- selon lendroit de (ormation du nuage- il $ossdera di,rentescaractristiques et des ractions varies se $roduiront ) lintrieur decelui6ci&

Lensem1le de ces $rocessus- quils soient chimiques- $hotochimiques ou1iologiques intervenant ) lintrieur des gouttelettes infuence letrans$ort- la distri1ution ainsi que la trans(ormation des es$%ceschimiques $rsentes dans latmos$h%re&

7ous $ouvons alors nous demander Comment lenvironnement infuenceles nuages ?

Dans un $remier tem$s- nous $rsenterons la (ormation de la gouttelette$uis linfuence des di,rentes com$ositions de lair sur le $8 de lagouttelette& Pour /nir- nous a1orderons les consquences surlenvironnement des diverses ractions qui se $roduisent dans le nuage&

9ommaire

" : ;ormation de la gouttelette

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Latmos$h%re est un milieu com$le'e dans lequel coe'istent $lusieurs$hases 4solide- liquide- ga


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Les noyau' de condensation sont constitus de $articules $rovenant desru$tions volcaniques- de $oussi%res arraches au sol- de $oussi%res decom1ustion- de $ollens- etc&

Les molcules de va$eur d*eau contenues dans l*air vont se

condenser en eau liquide au contact des noyau' de condensation& L*eauliquide condense sur les $articules microsco$iques va $ar la suites*va$orer et retourner dans l*air sous (orme de va$eur d*eau& ant que lenom1re de molcules de va$eur d*eau qui se condensent est gale aunom1re de molcules qui s*va$orent d*une $articule- il ne $eut y avoir(ormation de gouttelette d*eau&

Ce$endant- lorsque la tem$rature de l*air est suEsamment 1asse- lenom1re de molcules qui se condensent devient $lus grand que le nom1rede molcules qui s*va$orent& F $artir de ce moment- on dit que l*air estsursatur en va$eur d*eau et il y a (ormation d*une gouttelette d*eau& Lesnuages sont (orms de $lusieurs millions de ces gouttelettes&

2n air sursatur en va$eur d*eau corres$ond ) une humidit relativelg%rement su$rieure ) BBG& Lhumidit relative est le ra$$ort de la$ression $artielle de va$eur d*eau contenue dans l*air sur la $ression deva$eur saturante ) la m>me tem$rature et $ression& Cette sursaturationest ncessaire $our vaincre la tension de sur(ace des molcules d*eau etainsi quelles sunissent autour du noyau de condensation&

"mage Les di,rents tats de saturation

9ource htt$$longee&amiral&(ree&(r(ormationniveauloidehenryn&htm

"" 6 "nfuence des com$osants sur la gouttelette

La $hase aqueuse du nuage est constitue dune multitude decom$oss inorganiques- organiques et de mtau'& Cela d$endnotamment de lorigine de la (ormation de la gouttelette& Dans cette $artie

nous $arlerons de la consquence de certains ga< sur le $8 de notregouttelette&

H
http://plongee.amiral.free.fr/formation/niveau4/loidehenryn4.htmhttp://plongee.amiral.free.fr/formation/niveau4/loidehenryn4.htm


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Certains com$oss ont une (orte im$ortance sur la com$osition chimiqueglo1ale des gouttelettes de nuage $uisquils g%rent en grande $artie le $8des gouttelettes ) travers la $rsence dacides (orts tels que lacidenitrique 487=35 ou lacide sul(urique 48!9=5 $ar e'em$le&

6 Calcul du $8 avec modlisation de la gouttelettePour dterminer un $8- nous allons modliser la gouttelette $our

sim$li/er les calculs au ma'imum et arriver ) o1tenir un rsultat&Pour cela- on consid%re un 1cher (erm avec seulement de leau

$ure considre ) $8IJ et on introduira un seul ga< contenu dans unevraie gouttelette ngligeant ainsi tous les autres ga< de lair ayant unim$act sur cette gouttelette& Le 1cher tant (erm aucun autre ga< nestmlang avec le ga< que lon a introduit dans le 1cher& Kr0ce ) cettee'$rience- nous dtermineront lim$ortance dun certain ga< dans lagouttelette et quelles consquences on $eut en tirer&=n /'era lactivit du ga< ) & =n /'era galement la $ression $artielle duga< ) la $ression atmos$hrique- cest6)6dire atm&

9chma e'$licati( +'em$le du 9=!4g5

9=!

7ous allons tudier deu' ga< jouant un r#le im$ortant sur le $8 de lagouttelette

6 9=!$rsent dans lair6 C=!$rsent dans lair et en tr%s grande quantit dans lair $ollu

Dans cette tude- nous aurons 1esoin de la loi de 8enry et des calculs de$8& Pour (aciliter nos calculs- nous /'eront la $ression totale du ga


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Passage SO2 (g)SO2 (aq)

Pour trouver la concentration en 9=!aqueu'- nous allons utiliser la (ormulede 8enry qui est la suivante

P I CNO8

=n a 6 PI atm6 O8- la constante de 8enry avec O8 I -! molLatm $our 9=!

=n o1tient CI B&3 molL

La concentration liquide de 9=! est donc de B-3 molL

Passage SO2(aq) + H2O = H2SO3

8!= tant en e'c%s- tout le 9=!se trans(orme en 8!9=3- la concentrationen 9=!est donc gale ) la concentration en 8!9=3&Donc Q8!9=3RI B-3 molL

Passage H2SO3+ H2O = HSO3-+ H+

=n cherche ) $rsent ) dterminer le $8 de cette raction

8!9=3 8!= I 89=36

8

C6' e'c%s ' '

OSI Q89=36RQ8RQ9=!R

OSI 'T4c6'5

4c6'5NOS: 'T IB

'T 'NOS: cNOSI B

'I 46OSU4OSTNCNOS55!

=r OSI&!NB6!

Donc ' I Q83=R I B-BA3A molL

$8 I 6log 483=5 I -B3

Leau du 1cher a un $8 de &B3& Le $8 de la gouttelette serait donc tr%sacide& Cela signi/e que $lus on est $r%s dun milieu o il y a 1eaucou$ de

9=!4g5 $lus le $8 de la gouttelette sera acide&

J


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b- CO2

Voyons ) $rsent laction de C=!sur le $8& Pour cela- on re$art de notremodlisation cest6)6dire que dans notre 1cher nous naurons que deleau $ure ) $8IJ et du C=! 4aq5&

=n aC=!4g5C=!4aq5 8!=C=!4aq5 8!= I 8C=368C=36 8!= I C=3!6 8

Passage CO2(g)CO2(aq)+ H2O

=n utilise la loi de 8enry PICNO8

Svec PI atm+t O8I 3&NB6!molLatm

=n o1tient C I !A&! molL

Passage CO2(aq) + H2O = HCO3-

8!= tant en e'c%s- tout le C=! se trans(orme en 8C=36- la concentrationen C=!est donc gale ) la concentration en 8C=36&

Donc Q8C=36R I B-3 molL

Passage HCO3-+ H2O = CO32-+ H+

C=!4aq5 8!= I 8C=36

8

C6' e'c%s ' '

=n a

Q8R I 4OeO8NOSNP 5!

Svec OSI NB6

OeIB6

O8I 3-NB6!molLatm

=n a alors Q8R I &JNB6molL

$8 I 6logQ8R I H-A3

Le C=!est galement un ga< qui acidi/e la gouttelette et donc le nuage&

c- Origines


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Dans notre tude- nous avons considr le cas o le ga< entre encontact seulement avec une gouttelette deau $ure& Mais en ralit-dautres es$%ces chimiques sont $rsentes dans lair et dans la goutteletteet $euvent >tre ) lorigine de la (ormation de ces m>mes es$%ceschimiques&

Par e'em$le les ions sul(ates 49=!65 ne viennent $as uniquement du9=!de lair mais ils ont galement une source $articulaire marine ) $artirdes cristau' de 7a!9=m>me si cette source nest $as majoritaire&

=n a galement une source anthro$ique qui vient de lo'ydation de gatre mis ) $artir de sources anthro$iques tellesque la com1ustion de car1urants (ossiles ou les industries& Le calcium$rsent dans les gouttelettes de nuage $eut aussi $rovenir de ladissolution de $articules mises lors de lrosion des sols comme Ca9= ouCaC=3& Leur r#le dans la gouttelette sera de neutraliser le'c%s dacidecr $ar les autres ions&

Dans notre dvelo$$ement- nous avons nglig les arosols&Ce$endant- ils interviennent tout de m>me au niveau du $8& Ces$articules darosols sont $rinci$alement com$oses de mtau' detransition& =n trouve ces mtau' 4comme le chrome- le (er- le co1alt- lenicXel- le cuivre- le mangan%se- le mercure- le


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Source : Thse Tifan CH!"#O$%LLOT

Da$r%s ce ta1leau- on o1serve que les ions les $lus infuents sur le$8 sont 7=36- 9=!6- 78et 7a& "l montre 1ien que les ions 7=36- 9=!6-

78 acidi/e le $8 de la gouttelette dans le nuage& Ce$endant- da$r%s noscalculs- sil y avait $ar e'em$le que des ions 9=!6- on aurait un $8 de -B3or da$r%s le ta1leau le $8 le $lus acide est -J donc il y a 1ien des ionsqui $ermettent ) la gouttelette d>tre moins acide& 9i on regarde ce m>meta1leau- on remarque que les ions 7asont $lus nom1reu' quand le $8est moins acide& =n $eut donc $enser que les ions 7a ont un $ouvoirtam$on asse< (ort $our neutraliser lacidit de la gouttelette& M>me si lesconcentrations en O- Mg!- Ca!nont $as chang selon les milieu'- on$eut quand m>me dire quils attnuent lacidit de la gouttelette carquand on les nglige on trouve des $8 1eaucou$ $lus acide 4voir 5&Cl6a une concentration qui reste la m>me selon le milieu mais qui (aittendre le $8 vers un $8 acide&

+n conclusion- selon le milieu o la gouttelette se (orme- dans unmilieu riche en 7=36ouet 9=!6ouet C=!- le $8 de la gouttelette du nuagesera $lus acide que celui dune gouttelette dun nuage o il y en a moinsdans son environnement& 9ouvent les nuages les $lus acides sontretrouvs au niveau des villes $ollues qui contiennent ces es$%ceschimiques en grande quantit contrairement ) un nuage (orm au6dessusdune $rovince&

""" : Yactions $uis consquences

Les di,rentes com$ositions- ainsi que certaines ractions se droulant )lintrieur du nuage $rovoquent diverses consquences surlenvironnement&

: Les $luies acides

Comme nous avons $u le constater- le $8 des nuages varient selon leur

com$osition&L*eau de $luie est naturellement acide avec un $8 com$ris entre H et H-&Cette acidit est lie ) la dissolution du C=!&

=n $eut calculer la solu1ilit du C=! dans la $hase aqueuse ) l*aide de la

Loi de 8enry& Sinsi- on o1tient le $8 de la $hase aqueuse de la gouttelette&Ceci a t dmontr dans la $artie $rcdente& 7ous avons trouv un $8de H-A&

"l e'iste galement d*autres acides naturels comme les acides organiquesmis $ar la 1ios$h%re- le 87=3 $rovenant de lo'ydation des 7=Z mis $ar


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les clairs- les sols et les (eu' ou encore le 8!9= $rovenant delo'ydation du 9=! mis $ar les volcans et la 1ios$h%re&

Cette acidit est $artiellement contre1alance $ar les 1ases naturellescomme le 783 mis $ar la 1ios$h%re et le CaC=3 contenu dans les

$oussi%res souleves de$uis le sol&Ce$endant- certaines es$%ces ayant des sources anthro$iques

$rovoquent des ractions chimiques $ouvant changer l*acidit des$rci$itations et donner ainsi des $luies acides&

Les $rci$itations acides sont dues ) la $rsence dans latmos$h%redo'ydes de sou(re 4il re$rsente environ !3 des contaminants5 etdo'ydes da


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de titrage& La quantit de sul(ate (orme est donc la quantit initiale duracti( $rsent en $lus (ai1le quantit&

8!=! 9=! 9= 8!=

La raction avec =3 est moins ra$ide que celle avec 8!=!&La $hotolyse de lotre catalyse$ar des ions mtalliques $our avoir lieu ra$idement&

Le dio'yde de sou(re s*o'yde $our (ormer du trio'yde de sou(re

9=! ! =! 6] 9=3

+nsuite- ) laide de leau- il se (orme de lacide sul(urique

9=3 8!= 6] 8!9=

15 ;ormation de lacide nitrique 87=3

Lacide nitrique 487=35 $eut >tre (orm dans la $hase gatre o'yd $ar lotre hydrolys $ar la va$eur deau $our (ormer de lacidenitrique&

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7!=H 8!= I] ! 87=3

Cette raction en $hase ga


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"mage 9ources et consquences des $luies acides

9ource Les $luies acides de La/tte `r#me et Martine< `ulien&

htt$j&larrart&(ree&(rchimiedoc$luiesG!Bacides&$$t

Ce$endant- le nuage a la ca$acit de neutralisation& Sinsi- dans leMinnesota $ar e'em$le- lacidit est attnue $ar la $rsence danslatmos$h%re dammoniac 47835 li au' activits agricoles- en $articulierlutilisation dengrais et de $oussi%re alcaline 4CaC=3- 7a!C=35- soulevesde$uis le sol d_ ) un climat semi6aride&

36 Sutres consquences

Pour /nir- latmos$h%re $ermet le trans$ort de di,rents ty$es de

$olluants et notamment de $esticides& Ceci a t dmontr $our la$remi%re (ois dans les annes AB- $riode ) laquelle les $esticides de la(amille des organochlors taient largement utiliss& +n e,et- cescom$oss ont t retrouvs non seulement dans latmos$h%re mais aussien Sntarctique- $rouvant ainsi leur trans$ort dans latmos$h%re& Letrans$ort de $esticides dans latmos$h%re a de$uis t largementcon/rm $ar de nom1reuses tudes et leur $rsence dans les di,rentscom$artiments de lenvironnement a t dmontre 4dans lair- dans lessols- dans leau de $luie- dans les eau' de sur(ace- dans la neige- dans les1rouillards et dans la $hase aqueuse des nuages5&

H
http://j.larrart.free.fr/chimie/doc/pluies%20acides.ppthttp://j.larrart.free.fr/chimie/doc/pluies%20acides.ppt


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Conclusion

Le 1ut de notre $rojet tait de montrer linfuence delenvironnement sur la gouttelette dun nuage& Pour cela- nous avons toutda1ord e'$liqu 1ri%vement la (ormation des nuages&

+nsuite- nous avons montr comment certains ions im$actent le $8de la gouttelette et de ce (ait comment le $8 volue en (onction du lieu de(ormation du nuage& Pour connaitre lim$act des di,rentes es$%ceschimiques- nous avons dans un $remier tem$s modlis la gouttelettecomme une solution deau $ure en contact avec un seul ga


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bi1liogra$hiePhysico6chimie de la $hase aqueuse des nuages $rleve au sommet du$uy de D#me caractrisation et ractivit $hotochimique- h%se de

i,any Char1ouillot- !B

Caractrisation $hysico6chimique et ractivit de la $hase aqueuse desnuages $rleve au sommet du $uy de D#me- h%se de Marius Para

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