Cette section présente les notions chimiques de base relatives à l'alcalinité, pour calculer la dureté carbonatée d'une eau, déterminer les relations existantes entre les différentes unités de mesure et établir les équivalences généralement utilisées pour exprimer la dureté carbonatée.
Cette partie est réservée aux amateurs ayant quelques connaissances en chimie, mais tout aquariophile peut simplement s'intéresser aux formules résultantes de ces calculs.
[CO32-] et [HCO3-] sont les masses de carbonate et d'hydrogénocarbonate en mg/L de l'échantillon d'eau.
MCa est la masse molaire en g/mol du calcium Ca2+,
soit 40,08 g/mol.
MO est la masse molaire en g/mol de l'oxygène O,
soit 16 g/mol.
MCaO est la masse molaire en g/mol de l'oxyde de calcium CaO2-
soit 56,08 g/mol (40,08+16).
MCaCO3 est la masse molaire en g/mol du carbonate de calcium CaCO3-
soit : 100,09 g/mol = (40,08+12,01 +(3x16)).
MHCO3 est la masse molaire en g/mol d'hydrogénocarbonate HCO3-
soit : 61,01 g/mol = (1+12,01+(3x16)).
MCO3 est la masse molaire en g/mol de carbonate CO32-
soit : 60,01 g/mol = (12,01+(3x16)).
L'alcalinité ou dureté carbonatée de l'eau représente la concentration en ions acides H+ qui peuvent être absorbés par les ions hydroxyde HO-, carbonate CO32- et hydrogénocarbonate HCO3- contenus dans l'eau. L'alcalinité est définie comme la concentration en mol/L des charges électriques élémentaires dues aux ions hydroxyde, carbonate et hydrogénocarbonate, capables de neutraliser les ions acides.
• L'alcalinité est ainsi égale en mol/L de charges électriques à :
[HO-]+2[CO32-]+[HCO3-]
Les ions hydroxyde HO- sont quantitativement négligeables.
Un ion carbonate CO32- absorbe deux ions H+, car il possède deux charges électriques.
Un ion hydrogénocarbonate HCO3- n'absorbe qu'un seul ion H+.
• Un degré KH est défini comme l'équivalent de 10 mg/L de CaO.
Pour une masse d'oxyde de calcium [CaO2-] exprimée en mg/L, la concentration en mol/L de CaO2- est : [CaO2-]*10-3*(MCao)-1, mais un ion d'oxyde de calcium CaO2-, possède la particularité d'avoir deux charges électriques, ce qui nous donne pour une masse de CaO une concentration en charges électriques élémentaires de :
2*[CaO2-]*10-3*(MCaO)-1
• La part d'alcalinité due à la masse d'hydrogénocarbonates HCO3-
Pour une masse d'hydrogénocarbonates [HCO3-] exprimée en mg/L, la concentration en mol/L de HCO3- est : [HCO3-].10-3.(MHCO3)-1, un ion d'hydrogénocarbonate HCO3- ne possède qu'une seule charge électrique, ce qui donne pour une masse de HCO3 une concentration en charges électriques élémentaires de :
[HCO3-]*10-3*(MHCO3)-1
• La part d'alcalinité due à la masse de carbonates CO32-
Pour une masse de carbonates [CO32-], exprimée en mg/L, la concentration en mol/L de CO32- est de : [CO32-].10-3.(MCO3)-1, mais un ion carbonate CO2-, possède la particularité d'avoir deux charges électriques, ce qui nous donne pour une masse de CO une concentration en charges électriques élémentaires de :
2*[CO32-]*10-3*(MCO3)-1
• L'alcalinité et son équivalence en charges électriques élémentaires
Pour obtenir la même concentration en charges électriques élémentaires, entre une masse en oxyde de calcium [CaO2-] et les masses de carbonates CO32- et d'hydrogénocarbonates HCO3- exprimées en mg/L, nous avons :
2.[CaO2-]*10-3*(MCaO)-1 = 2*[CO32-]*10-3*(MCO3)-1 + [HCO3-]*10-3*(MHCO3)-1
[CaO2-] = [CO32-]*(MCO3)-1*(MCaO) + [HCO3-]*(MHCO3)-1*(MCaO/2)
• La dureté carbonatée en °KH
Un degré KH étant défini comme l'équivalent de 10 mg/L de CaO, la dureté carbonatée d'une eau en fonction de ses concentrations en mg/L de carbonates et d'hydrogénocarbonates est donc en unité allemande °KH :
{[CO32-]*(MCO3)-1*MCaO + [HCO3-]*(MHCO3)-1*(MCaO/2)}*10-1
► La dureté carbonatée en °KH d'une eau en fonction de ses concentrations en carbonates et hydrogénocarbonates est donc de :
0,0934*[CO32-] + 0,046*[HCO3-] °KH (1)
• La dureté carbonatée d'une eau en °KH
La dureté carbonatée d'une eau comportant uniquement des hydrogénocarbonates avec une concentration donnée [HCO3-] en mg/L est donc en °KH :
0,046*[HCO3-]
• Un degré KH correspond aux équivalences suivantes :
- 10 mg/L de CaO par définition
- 0,1783 mmol de Ca0, ([CaO].(MCaO)-1 = 10/56,08)
- 0,3566 mmol/L de HCO3-
(Il y a deux fois plus de moles de HCO3- que de moles de CaO2- pour la même charge électrique)
- 21,76 mg/L de HCO3, (Un degré KH est équivalent à 0,3566 mmol de HCO3)
soit : [HCO3]*MHCO3 = 0,3566*6,01
- 17,85 mg/L de CaCO3, (0,1783 mmol de CaO de CaCO3, soit 0,1783*MCaCO3 = 0,1783*100,09)
- 1,785 °f, le degré f est par définition égal à 10 mg/L de CaCO3 Pour une mole de CaO2-, il y a une mole de CaCO32-
soit : 1 °KH = 0,1783 mmol de CaO ou de CaCO3 = 0,1783*MCaCo3 = 0,1783*100,09 = 1,78477 °f.
Le titre alcalimétrique français TA, correspond par définition à une équivalence de 10 mg/L de carbonate de calcium CaCO3 par degré. Soit en °f :
{[CO32-]*(MCO3)-1*MCaCO3 + [HCO3-]*(MHCO3)-1*(MCaCO3/2)}*10-1
► Le titre alcalimétrique français TA d'une eau en fonction de ses concentrations en carbonates et hydrogénocarbonates est donc en °f de :
0,168*[CO32-] + 0,082*[HCO3-] (2)
• La dureté carbonatée d'une eau en °f
La dureté carbonatée d'une eau minérale comportant uniquement des hydrogénocarbonates avec une concentration de [HCO3-] en mg/L est donc en °f :
0,082*[HCO3-]
Nous découvrons ici la relation existante entre un degré KH et un degré français TH °f :
1 °KH = 1,78 °f.
En effet l'équation de la ligne (1) multipliée par 1,78 donne l'équation de la ligne (2).
• Un degré TA °f correspond aux équivalences suivantes :
- 10 mg/L de CaCO3 par définition
- 0,56 °KH
- 0,1 mmol/L de CaCO3 ([CaCO3]/Mcaco3 = 10/100,09 = 0,1mmol)
- 10 mg/L de CaCO3, (0,1 mmol de CaCO3*MCaCO3 = 0,1*100,09)
- 5,6 mg/L de CaO3, (0,1 mmol de CaO*MCaO = 0,1*56,08)
- 0,2 mmol/L de HCO3
(l'équivalent en charges électriques de 0,1 mmol de CaCO3, s'obtient avec deux fois plus de mmol de HCO3)
- 12,2 mg/L de HCO3, (0,2 mmol de HCO3*MHCO3 = 0,2*61,01)