Chimie redox des eaux naturelles

La chimie redox détermine l'état d'oxydation du carbone, de l'azote, du soufre, du fer et de nombreux autres éléments dans les eaux naturelles, structurant les systèmes aquatiques des eaux de surface oxiques aux sédiments anoxiques.

Definition

L'étude des réactions de transfert d'électrons et des conditions redox qui contrôlent les états d'oxydation des espèces dissoutes et particulaires dans les eaux naturelles.

Scope

Ce sujet aborde les équilibres et la cinétique d'oxydoréduction dans les eaux naturelles, l'utilisation de l'activité électronique (pE) et du Eh comme variables maîtresses, la séquence d'utilisation des accepteurs d'électrons médiée par les microorganismes, et les transformations redox des éléments clés à travers les interfaces oxiques-anoxiques.

Core questions

• Comment le pE et le Eh décrivent-ils les conditions redox dans l'eau ?
• Pourquoi les accepteurs d'électrons sont-ils utilisés selon une séquence prévisible ?
• Comment les transitions redox contrôlent-elles la chimie du fer, du manganèse, du soufre et de l'azote ?
• Dans quels cas la cinétique, plutôt que l'équilibre, régit-elle les résultats redox ?

Key theories

Échelle redox des accepteurs d'électrons

Lorsque la matière organique est oxydée, les communautés microbiennes utilisent les accepteurs d'électrons par ordre de rendement énergétique décroissant, de l'oxygène aux nitrates, aux oxydes de manganèse et de fer, aux sulfates, et enfin au dioxyde de carbone, produisant une zonation redox verticale caractéristique.

Mechanisms

L'activité électronique (pE) et le pH définissent conjointement les domaines de stabilité pour les espèces sensibles à l'oxydoréduction, résumés dans les diagrammes pE-pH. Dans les sédiments et les eaux stratifiées, la respiration microbienne consomme l'oxygène puis successivement des accepteurs d'énergie inférieure, entraînant la réduction des nitrates, des oxydes métalliques et des sulfates et mobilisant ou immobilisant les éléments associés.

Clinical relevance

Les conditions redox contrôlent la mobilité du fer, du manganèse, de l'arsenic et des nutriments, affectant la qualité des eaux souterraines, le relargage des contaminants des sédiments et la conception des systèmes de traitement.

History

Le cadre pE-pH a été adapté de la géochimie à la chimie aquatique au milieu du XXe siècle, et le contrôle microbien de la séquence redox a été clarifié par des travaux biogéochimiques ultérieurs.

Key figures

• Werner Stumm
• James J. Morgan

Seminal works

• stumm1996
• vanLoon2017

Frequently asked questions

Pourquoi l'arsenic apparaît-il parfois dans les eaux souterraines ?

Les conditions réductrices peuvent dissoudre les oxydes de fer qui retiennent l'arsenic, le libérant dans les eaux souterraines ; la chimie redox contrôle donc ce problème de contamination important.