[01] Dureté de l'eau de la Loire
par ipln | GC8H33V | Tours
► Le parcours [Géol' Tours] ◄
Tours est une métropole située au cœur du Val de Loire, classé patrimoine mondial UNESCO.
Depuis la fondation de la cité romaine de Caesarodunum, la ville s'est développée sous l'influence du cours du fleuve et des richesses du sous-sol de la Touraine. Ses maisons, édifices religieux, châteaux ou ponts sont issus des pierres extraites dans la région.
Le parcours [Géol' Tours] vous propose une série de EarthCaches décrivant des natures de roches, des phénomènes géologiques ou hydrologiques, afin de découvrir cette richesse géologique sur les rives de la Loire et dans les rues de la ville.
► Partie 1 : Les propriétés de l'eau ◄
La connaissance des propriétés de l’eau de chaque région est essentielle. Depuis le captage dans son milieu naturel à la distribution, l’eau est contrôlée selon une soixantaine de paramètres qui permettent :
- de connaître sa composition physico-chimique (pH, dureté, minéralisation…),
- d’analyser ses caractéristiques sensorielles (odeur, saveur, turbidité),
- de rechercher d’éventuelles substances toxiques (métaux lourds, pesticides…), et
- de vérifier sa conformité bactériologique.
Cette EarthCache vous propose de caractériser la dureté de l’eau de la Loire à Tours.
► Partie 2 : La Loire ◄
La Loire prend sa source au mont Gerbier-de-Jonc, au sud-est du Massif Central, dans le département de l’Ardèche. L’embouchure du fleuve dans l’Océan Atlantique se situe 1 000 km plus loin, au niveau de l’estuaire de Saint-Nazaire dans le département de la Loire-Atlantique. La Loire et ses affluents drainent un bassin versant de 117 000 km², soit près du quart de la France métropolitaine.
(cliquez sur l’image pour l’agrandir)
Le bassin de la Loire draine trois régions géologiques distinctes :
- Le Massif Central appartient à un très vaste ensemble géologique qui a constitué une grande chaîne de montagnes dans la deuxième partie du Paléozoïque (-300 Ma), ensuite très arasées par l’érosion (dès -255 Ma). Le Massif Central a un socle cristallin formé essentiellement de granites (-400 à -300 Ma) intrusifs dans des roches plus anciennes (gneiss, schistes). Le sol comprend également des épanchements volcaniques récents (-10 Ma), la dernière activité volcanique datant d’à peine 6 700 ans.
- Le Bassin Parisien est l’unité géologique la plus vaste de France, et est composé de roches sédimentaires. La Loire draine le Sud-Ouest du Bassin. Au Sud, sur le versant septentrional du Massif central, on note la présence de formations du Trias (grès, calcaires, argiles) déposées entre -250 et -200 Ma. Viennent ensuite des auréoles concentriques et relativement régulières de terrains jurassiques comprenant des calcaires et des marnes (-200 à -145 Ma). En obliquant vers l’Ouest, la Loire rejoint des formations du Crétacé (argiles, sables et craies) déposées entre -145 et -65 Ma. Le centre du Bassin est constitué de roches déposées du Cénozoïque (-65 Ma) à nos jours : sables de Sologne et calcaires karstiques de Beauce. La sortie de la Loire du Bassin Parisien s’effectue dans des formations crétacées du Turonien (Tours).
- La Loire traversant le Sud du Massif Armoricain recoupe des terrains sédimentaires du Paléozoïque puis une série métamorphique (granites du cisaillement sud-armoricain).
L’eau de la Loire se charge progressivement en sels minéraux et en oligo-éléments propres à ces régions géologiques au sous-sol varié dans sa nature lithographique et dans ses reliefs.
► Partie 3 : La dureté de l’eau ◄
► Définition :
La dureté d’une eau exprime sa concentration en minéraux dissous, et plus particulièrement en ions calcium Ca2+ et magnésium Mg2+. La dureté est caractérisée par la valeur du Titre Hydrométrique, ou TH, qui s’exprime en degrés français, ou °f.
Un TH de 1°f est équivalent à une teneur de 4 milligrammes d’ions calcium par Litre d’eau, ou de 2,4 mg/L d’ions magnésium.
La formule de calcul du TH d’une eau est :
Plus la concentration en ions calcium et/ou magnésium est élevée, plus la valeur de TH est élevée et plus l’eau est dite « dure ». A l’inverse, une eau est dite « douce » lorsqu’elle contient peu de ces ions.
► Influence des sols :
Dans son parcours naturel, l’eau traverse plusieurs types de roches de natures géologiques différentes. L’eau se charge en sels minéraux et en oligo-éléments. La dureté de l’eau dépend de la nature géologique du sous-sol qu’elle a traversé. Pour résumer :
Terrains cristallins = eau douce ou très douce
Terrains sédimentaires = eau dure ou très dure.
Le calcium dans l’eau provient du calcaire ou de la craie et, dans une moindre mesure, du chlorure de calcium ou du sulfate de calcium. Le magnésium provient de la dolomite, du chlorure de magnésium et du sulfate de magnésium. Lorsque ces substances se dissolvent dans l’eau, il se produit une réaction chimique qui libère les ions calcium et les ions magnésium.
En France, la dureté de l’eau varie selon les régions.
► Conséquences :
Une eau dure est sans conséquence sur la santé humaine, le calcium et le magnésium étant des constituants majeurs de notre organisme, mais peut être irritante pour les peaux sensibles. De plus, une eau demeure potable quel que soit son TH.
La conséquence principale d’une eau dure est les dépôts de tartre. Ils se forment par précipitation des ions calcium et magnésium lorsqu’ils entrent en contact avec de l’oxygène ou de la chaleur. Cela a des conséquences esthétiques, mais également techniques pour nos appareils d’électroménager. Le tartre se dépose sur les échangeurs de chaleur, provoquant une réduction de rendement de l’appareil, et donc une consommation accrue d’énergie… et une facture plus élevée ! À terme, l’accumulation de tartre peut provoquer la défaillance de ces appareils.
Une autre conséquence est qu’une eau dure diminue l’efficacité des détergents (savons, lessives). Leur dose doit alors être augmentée.
► Partie 4 : Expérience ◄
► Matériel :
Du savon (liquide vaisselle, savon liquide, savon solide) ● Des récipients transparents (par exemple des verres) ● Des eaux de différentes duretés : 0°f – 15°f – 185°f.
► Méthodologie :
Verser le même volume des différentes eaux dans les récipients (ici 10 cL) ● Ajouter la même quantité de détergent liquide dans chaque récipient d’eau (ici une goutte de liquide vaisselle) ● Agiter pour faire mousser jusqu’à ce que la mousse persiste ● Laisser reposer quelques minutes jusqu'à séparation des phases liquide et mousseuse ● Comparer les quantités de mousse.
► Résultats :
Calculons le rapport entre la hauteur de phase mousseuse et la hauteur de phase liquide :
Eau à 0 °f = 1,75
Eau à 15 °f = 1,2
Eau à 185 °f = 0,5
Plus la dureté de l’eau est élevée, moins de mousse est produite avec le savon.
► Analyse :
Tout d’abord intéressons-nous aux mécanismes de formation des bulles de savon.
Le savon possède des ions carboxylates à la structure particulière : ils possèdent une queue hydrophobe (repoussée par les molécules d’eau et attirée par l’air) et une tête hydrophile (qui attire l’eau).
Lorsque l’eau savonneuse est agitée, l’air dissous dans l’eau retourne à l’état gazeux. Les queues hydrophobes se regroupent et emprisonnent cet air, tandis que les têtes hydrophiles forment le contour d’une sphère.
Lorsque la sphère remonte à la surface, les têtes hydrophiles du contour de la sphère et celles présentent à la surface se rencontrent et emprisonnent une fine couche d’eau. Une bulle est alors formée !
Que se passe-t-il avec une eau dure ?
La dureté de l’eau est due à la présence des ions calcium et/ou magnésium de charge positive. Or les ions carboxylates du savon sont chargés négativement (charge portée par la tête hydrophile).
Les ions positifs et négatifs s’attirent, et la réaction chimique des ions calcium / magnésium avec les ions carboxylates forme un précipité insoluble :
2 R-COO- + Ca2+ → Ca(R-COO)2
2 R-COO- + Mg2+ → Mg(R-COO)2
La concentration en ions carboxylates de l’eau savonnée diminue en réaction avec la concentration initiale en ions calcium / magnésium dans l’eau. Moins d’ions carboxylates implique moins de bulles !
► Conclusion :
L’expérience permet ainsi de mettre en évidence une relation entre la dureté de l’eau et la quantité de mousse produite.
Les trois valeurs de TH des eaux choisies permettent d’illustrer la quantité de savon produite pour les valeurs limites des plages 0 – 15 °f (eau douce) et 15 °f et plus (eau dure).
Le Waypoint a été choisi pour le point de vue sur la Loire et Tours, et pour sa facilité d’accès. Toutefois, la Loire est un fleuve pouvant être dangereux. Restez bien sur la berge, et soyez vigilants si vous venez avec des enfants.
Pour loguer la cache, rendez-vous aux coordonnées en bord de Loire, et répondez aux questions. Vous aurez besoin d'eau déminéralisée ou distillée, d’un récipient transparent et d'un savon (liquide vaisselle, savon liquide, savon solide) pour la question 3. Pour le reste, la lecture attentive du descriptif, de l’observation et des déductions sont suffisantes.
0 ► Postez avec votre log une photographie permettant de vous identifier (visage, GPS, pseudo, etc.) au Waypoint. Soyez créatif !
1 ► Définition d’un bassin versant.
2 ► Déterminez le TH d’une eau minérale ayant cette composition (valeurs en mg/L) :
Bicarbonates … 74
Calcium … 12
Chlorures … 15
Fluorures … 0
Magnésium … 8
Nitrates … 7,3
Potassium … 6
Silice … 32
Sodium … 12
Sulfates … 9
Déduisez-en si cette eau est douce ou dure.
3 ► Au Waypoint, prélevez de l’eau de la Loire dans un récipient transparent. Reproduisez l’expérience avec cette eau de la Loire, ainsi qu’avec de l'eau distillée ou déminéralisée.
3a. Comparez les résultats pour les deux eaux. Qu’observez-vous ?
3b. Déduisez-en si l'eau de la Loire est plutôt douce ou dure.
3c. En analysant le bassin versant de la Loire, donnez des raisons à ce résultat à Tours.
Si vous le souhaitez, vous pouvez compléter l’expérience avec plusieurs eaux du commerce pour lesquelles vous aurez déterminé le TH à partir de leur composition, et que vous comparerez à votre prélèvement d’eau de la Loire.
De manière facultative, vous pouvez également joindre des photographies de votre expérience avec votre réponse (mais pas avec le log).
Rappels concernant les « EarthCaches » :
Il n’y a pas de contenant à rechercher aux coordonnées, ni de carnet à signer sur place. Il suffit de se rendre sur les lieux, de répondre aux questions ci-dessus, et de nous envoyer vos propositions de réponses soit via notre profil, soit via la messagerie geocaching.com (Message Center).
Vous pouvez loguer un « Found it » sans attendre notre confirmation. Nous vous contacterons en cas de problème ou pour fournir d’éventuelles précisions.
Les « Found it » enregistrés sans envoi de réponses seront supprimés.
► [Géol' Tours] ◄
Tours is a metropolis located in the heart of the Loire Valley, classified as World Heritage by UNESCO.
Since the foundation of the Roman city of Caesarodunum, Tours has grown under the influence of the Loire and the riches of the Touraine basement. Its houses, religious buildings, castles or bridges come from stones extracted in the region.
[Géol' Tours] offers a series of EarthCaches describing rock natures, geological or hydrological phenomena, in order to discover the geological richness on the banks of the Loire and in the streets of the city.
► Part 1: Water properties ◄
Knowledge of the water properties is essential. From the capture in its natural environment to the distribution, water is controlled according to sixty parameters that allow:
- to know its physico-chemical composition (pH, hardness, mineralization…),
- to analyze its sensory characteristics (smell, flavor, turbidity),
- to search for eventual toxic substances (heavy metals, pesticides…), and
- to check its bacteriological conformity.
This EarthCache proposes you to characterize the water hardness of La Loire in Tours.
► Part 2: La Loire ◄
La Loire has its source at mount Gerbier-de-Jonc, Southeast of the Massif Central, in the department of Ardèche. The river mouth in the Atlantic Ocean is located 1,000 km further, at the Saint-Nazaire estuary in the department of Loire-Atlantique. La Loire and its tributaries drain a drainage basin of 117,000 km², nearly a quarter of metropolitan France.
(click on the picture to oversize)
The Loire basin drains three geological regions:
- The Massif Central belongs to a very large geological ensemble which constituted a large chain of mountains in the second part of the Paleozoic era (-300 million years), then very affected be erosion (from -255 million years). The Massif Central has a crystalline basement formed mainly with granites (-400 to -300 million years) arranged in older rocks (gneiss, shale). The region also comprises rocks from recent volcanic eruptions (-10 million years), the last volcanic activity dating back to just 6,700 years ago.
- The Paris Basin is the largest geological region of France and is composed of sedimentary rocks. La Loire drains the Southwest of the Basin. To the South on the Northern sloe of the Massif Central, we have Triassic formations (sandstone, limestone, clay) deposited between -250 and -200 million years. Then are concentric and relative regular rings of Jurassic regions including limestones (-200 to -145 million years). Towards the West, La Loire joins Cretaceous formations (clays, sands, and chalks) deposited between -145 and -65 million years. The Basin center comprises rocks deposited during Cenozoic (-65 million years): sands of Sologne and karst limestones of Beauce. The exit of La Loire from the Paris Basin is done in Cretaceous formations of Turonian (Tours).
- La Loire crossing the South of the Massif Armoricain passes through Paleozoic sedimentary lands, and then a metamorphic series (granites of the South Armorican shear).
The water of La Loire gradually takes mineral salts and trace elements specific to these geological regions with a varied subsoil.
► Part 3: The water hardness ◄
► Defintion:
The hardness of a water is related to its concentration of dissolved minerals, and more particularly calcium ions Ca2+ and magnesium ions Mg2+. The hardness is expressed in French degrees, or °f.
Water hardness of 1°f is equivalent to 4 milligrams of calcium ions per liter of water, or to 2.4 mg/L of magnesium ions.
The hardness calculation formula is:
The higher the calcium and/or magnesium ion concentration, the higher the hardness value and the “harder” water. On the contrary, a water is called “soft” when it contains few of these ions.
► Influence of soils:
In its natural course, the water crosses several types of rocks of different geological types. The water takes mineral salts and trace elements. The water hardness depends on the geological type of the subsoil it has crossed. To summarize:
Crystalline lands = soft or very soft water
Sedimentary lands = hard or very hard water.
Calcium in water comes from limestones or chalks and, to a lesser extent, from calcium chloride or calcium sulphate. Magnesium comes from dolomite, magnesium chloride and magnesium sulphate. When these minerals dissolve in water, there is a chemical reaction that releases calcium and magnesium ions.
In France, the water hardness varies by region.
► Consequences:
A hard water has no impact on human health, calcium and magnesium being major components of our body, but can be irritating to the sensitive skins. Moreover, water remains safe whatever its hardness.
The main consequence of hard water is scale deposits. They are formed by precipitation of calcium and magnesium ions when they come into contact with oxygen or heat. This has aesthetic consequences, but also technical consequences for the domestic appliance. Scale deposits on heat exchangers, causing an efficiency reduction, and then an increased energy consumption… and a higher energy bill! Over time, scale deposits can cause appliance to fail.
Another consequence is that hard water reduces the efficiency of detergents. Detergent dose must then be increased.
► Part 4: Experiment ◄
► Material:
Soap (dishwashing liquid, liquid soap, solid soap) ● Transparent containers (eg glasses) ● Waters of different hardnesses: 0°f – 15°f – 185°f.
► Methodology:
Pour the same volume of different waters in the containers (here 10 cL). ● Add the same amount of liquid detergent in each container (here a dropplet of dishwashing liquid) ● Shake to lather until the foam persists ● Let stay a few minutes until liquid and foam phases separate ● Compare the foam quantities in containers.
► Results:
Calculate the ratio between the height of the foam phase and the height of the liquid phase:
Water of 0 °f = 1.75
Water of 15°f = 1.2
Water of 185 °f = 0.5
The higher the water hardness, the less foam is produced with the soap.
► Analysis:
First, let’s look at the mechanisms of formation of soap bubbles.
The soap comprises carboxylate ions with the special structure: they have a hydrophobic tail (repelled by water molecules but attracted by air) and a hydrophilic head (which attracts water).
When the soapy water is agitated, the air dissolved in the water returns to the gaseous state. The hydrophobic tails gather and trap this air, while the hydrophilic heads form the outer surface of a sphere. When the sphere rises to the surface, the hydrophilic heads of the sphere and those on the water surface meet and trap a thin layer of water. A bubble is formed!
What happens with hard water?
The water hardness is due to calcium and/or magnesium ions of positive charge. But the carboxylate ions of soap are negatively charged (charge being carried by the hydrophilic head). Positive and negative ions attract, and the chemical reaction between calcium / magnesium ions and carboxylate ions forms an insoluble precipitate:
2 R-COO- + Ca2+ → Ca(R-COO)2
2 R-COO- + Mg2+ → Mg(R-COO)2
The carboxylate ion concentration of the soapy water decreases… Fewer carboxylate ions means fewer bubbles!
► Conclusion:
The experiment highlights a relationship between the water hardness and the quantity of foam produced.
The three hardness values are selected to illustrate the quantity of soap produced for the ranges of 0 – 15 °f (soft water) and 15+ °f (hard water).
The Waypoint has been chosen for the point of view in La Loire and Tours, and for its ease of access. However, La Loire can be dangerous. Please stay on the bank, and stay alert if you come with children.
To log this EarthCache, go to the coordinates, and answer to the following questions. You will need demineralized or distilled water, a transparent container, and soap (dishwashing liquid, liquid soap, solid soap) for Question 3. For the rest, a careful reading of the description, as well as observation and deduction are enough.
0 ► Post with your log a photo that identifies you (face, GPS, nickname, etc.) at the Waypoint. Be creative!
1 ► Definition of a drainage basin.
2 ► Calculate the hardness of mineral water having this composition (values in mg/L):
Bicarbonates … 74
Calcium … 12
Chlorides … 15
Fluorides … 0
Magnesium … 8
Nitrates … 7.3
Potassium … 6
Silica … 32
Sodium … 12
Sulphates … 9
Deduce if this water is soft or hard.
3 ► At the Waypoint, take some water from La Loire. Replicate the experiment with this Loire water, and also with the distilled or demineralized water.
3a. Compare the experiment results for the two waters. What do you observe?
3b. Deduce if the Loire water is rather soft or hard.
3c. Give some reasons for this result in Tours by analyzing the drainage basin.
If you wish, you can complete the experiment with several commercial waters for which you calculate the hardness from their composition, and that you compare to the water of La Loire.
Optionally, you can also send some photos of your experiment with your answer (but not with your log).
Reminders about the “EarthCaches”:
There is no container to look for nor a logbook to sign. Just go to the location, answer the questions above, and send us your proposals of answers either via our profile or Message Center.
You can log “Found it” without waiting for our validation. We will contact you in case of problems or to provide any clarification.
“Found it” logs saved without sending answers will be deleted.
Quand vous aurez trouvé les 14 EarthCaches de la série [Géol' Tours], vous pourrez afficher cette bannière sur votre profil.
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