Eau de puits à Kati : fer dissous et interférence des chlorures
L'école communale de Kati utilise l'eau d'un puits dont les canalisations métalliques sont anciennes. Des taches brunâtres apparaissent sur le linge et l'eau a un goût métallique. Un professeur fait doser le fer dissous : 20,0 mL d'eau, acidifiés par H₂SO₄, sont titrés par une solution de permanganate de potassium à 1,00 × 10⁻³ mol/L. L'équivalence est atteinte pour 4,0 mL et la coloration rose persiste. Le laboratoire du district indique par ailleurs une teneur en chlorures de 420 mg/L. La norme esthétique retenue pour le fer est de 0,3 mg/L ; au-delà, l'eau est jugée impropre à la boisson pour des raisons organoleptiques, sans toxicité aiguë aux faibles concentrations. Le directeur veut savoir s'il doit fermer le puits, et un commerçant propose un « adoucisseur magnétique » qui, selon lui, élimine le fer sans entretien. Les élèves se demandent aussi si faire bouillir l'eau suffit.
1. Écrire les demi-équations et l'équation bilan du dosage en milieu acide, puis calculer la concentration massique en fer(II) de l'eau, en mg/L.
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Le permanganate est réduit en milieu acide : MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O. Le fer(II) est oxydé : Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻. En multipliant la seconde par 5 et en additionnant : MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O. La quantité de permanganate versée est n = C × V = 1,00 × 10⁻³ × 4,0 × 10⁻³ = 4,0 × 10⁻⁶ mol. D'après la stœchiométrie, n(Fe²⁺) = 5 × 4,0 × 10⁻⁶ = 2,0 × 10⁻⁵ mol dans 20,0 mL, soit une concentration de 2,0 × 10⁻⁵ / 0,0200 = 1,0 × 10⁻³ mol/L. La masse molaire du fer est 55,85 g/mol, d'où 1,0 × 10⁻³ × 55,85 = 0,0559 g/L, c'est-à-dire environ 55,9 mg/L. Ce résultat est près de 190 fois la valeur esthétique de 0,3 mg/L : même en tenant compte d'une incertitude de lecture de 0,1 mL, l'ordre de grandeur est sans ambiguïté. Il faut cependant vérifier la validité de la méthode, car l'échantillon contient beaucoup de chlorures.
2. La teneur en chlorures de 420 mg/L rend-elle le résultat fiable ? Expliquer le sens de l'interférence et proposer une vérification.
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En milieu acide, les ions chlorure peuvent être oxydés par le permanganate en dichlore : 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Cette réaction consomme du permanganate en plus de celui qui oxyde le fer(II), ce qui augmente le volume équivalent et donc surestime la teneur en fer. Elle est d'autant plus gênante que l'échantillon est acide, chaud ou concentré en chlorures ; ici 420 mg/L est élevé, même si la cinétique peut rester lente à froid. Le résultat de 55,9 mg/L doit donc être lu comme une valeur haute, non comme une mesure exacte. Pour vérifier, on peut : ajouter du sulfate de manganèse et de l'acide phosphorique (réactif de Zimmermann-Reinhardt) qui complexe le fer(III) et empêche l'oxydation des chlorures ; diluer l'échantillon et refaire le dosage ; ou changer de méthode, par exemple dosage colorimétrique du fer(II) à la phénanthroline, ou spectrométrie d'absorption atomique. Un essai à blanc sur de l'eau distillée additionnée de la même quantité de chlorures permettrait de quantifier le biais. Tant que ce contrôle n'est pas fait, il est prudent de ne pas annoncer 55,9 mg/L comme une valeur définitive, même si la conclusion sanitaire (eau très ferrugineuse) reste très probablement la même.
3. Le directeur doit-il fermer le puits ? Évaluer l'intérêt de faire bouillir l'eau et du « filtre magnétique » proposé.
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Il faut distinguer le risque et la nuisance. À ces concentrations, le fer dissous n'est pas une toxicité aiguë : il colore l'eau, tache le linge, donne un goût métallique et peut favoriser les dépôts ferrugineux où se fixent des bactéries. La fermeture immédiate du puits n'est donc pas justifiée par le seul fer, mais elle peut l'être si l'on suspecte une contamination microbienne, fréquente dans les puits mal protégés ; il faut faire analyser les coliformes et vérifier la structure du puits. Les 420 mg/L de chlorures dépassent le seuil gustatif habituel (environ 250 mg/L) et suggèrent une intrusion ou une pollution à vérifier. Faire bouillir ne retire pas le fer : cela concentre l'eau par évaporation et laisse le fer en place ; c'est donc inutile pour ce problème, voire contre-productif. Le traitement correct est l'aération (oxydation Fe²⁺ → Fe³⁺), suivie d'une décantation et d'une filtration sur sable, puis une désinfection. Un « adoucisseur magnétique » n'élimine pas un ion dissous : un champ magnétique ne sépare pas le fer de l'eau et ne remplace ni l'oxydation ni la filtration ; l'argument relève du commerce, pas de la chimie. La décision raisonnable est donc : maintien provisoire avec filtration aérée, contrôle microbiologique, puis réhabilitation du puits.