L'aquariophilie pour des aquariums modernes

Mesurer la salinité par la conductivité: pourquoi?

Mesurer la salinité par la conductivité: pourquoi?
Tout d’abord, il faut savoir que la salinité est définie à l’origine comme la quantité de sels dissous présents dans l’eau de mer. Les premières mesures ont évidemment impliqué de peser les résidus solides à sec de l’eau de mer. C’est ce qui semblait logique. Malheureusement, cette méthode (difficile) du séchage de l’eau reste imprécise dans les résultats obtenus car certains gaz dissous dans l’eau sont enlevés et éliminés sans être pesés. Le pourcentage de chaque élément chimique en présence est donc faussé. Du coup, d’autres techniques ont été développées pour mesurer la salinité telles que la mesure de la conductivité, l’indice de réfraction lumineux ou encore la densité. Si cette dernière mesure convient aux aquariophiles amateurs par sa simplicité, elle est par trop imprécise et ne peut être réellement exploitée à un niveau scientifique. Et même si la mesure de l’indice de la réfractivité (par un réfractomètre) donne un meilleur résultat, c’est la mesure de la conductivité qui apporte la meilleure précision.


Tout d'abord, il faut savoir que la salinité est définie à l'origine comme la quantité de sels dissous présents dans l'eau de mer. Les premières mesures ont évidemment impliqué de peser les résidus solides à sec de l'eau de mer. C'est ce qui semblait logique. Malheureusement, cette méthode (difficile) du séchage de l'eau reste imprécise dans les résultats obtenus car certains gaz dissous dans l'eau sont enlevés et éliminés sans être pesés. Le pourcentage de chaque élément chimique en présence est donc faussé. Du coup, d'autres techniques ont été développées pour mesurer la salinité telles que la mesure de la conductivité, l'indice de réfraction lumineux ou encore la densité. Si cette dernière mesure convient aux aquariophiles amateurs par sa simplicité, elle est par trop imprécise et ne peut être réellement exploitée à un niveau scientifique. Et même si la mesure de l'indice de la réfractivité (par un réfractomètre) donne un meilleur résultat, c'est la mesure de la conductivité qui apporte la meilleure précision.

A noter que la conductivité est l'inverse, y compris mathématiquement, de la résistivité, c'est-à-dire, en simplifiant beaucoup, qu'elle indique la facilité pour un courant électrique de traverser un milieu qui, en l'occurrence, dans notre cas est l'eau de mer. Alors qu'une résistance s'exprime en Ohm, une conductance se calcule en Siemens (voir les notes en fin de document pour les unités).

Je pense que chacun comprend l'intérêt de connaître la salinité d'un aquarium marin. En revanche, il faut décrire pourquoi une mesure la plus précise possible amène à un meilleur contrôle des paramètres globaux. Il suffit déjà de considérer (ou d'établir comme règle et préambule) que tout organisme peut exister dans une gamme de salinités assez étendue, mais qui lui est propre. Restrictivement, seule une faible plage des valeurs de salinités convient complètement à la prospérité réelle de ces organismes. Lorsque cette gamme de valeurs est connue, il suffit alors de conserver ces organismes à l'intérieur de cet intervalle pour les voir prospérer, proliférer. Malheureusement, lorsque les valeurs optimales n'ont pas été établies (et c'est souvent le cas), il semble logique de vouloir les maintenir dans des valeurs connues et éprouvées dans leur environnement normal. En résumé, le meilleur choix semble bien de s'approcher le plus possible des valeurs naturelles.

Quand on commence à parler de la salinité, il faut déjà élaborer les bases de la discussion en considérant uniquement ce qui nous intéresse. Evidemment, la nature des constituants de l'eau de mer naturelle est connue dans le détail. Dans ce contexte de salinité (objet de cet article), l'eau de mer est principalement constituée d'ions inorganiques dissous dans l'eau et c'est cette concentration globale en ions qu'il faut parfaitement mesurer ! Pour une première approximation, considérons ces ions inorganiques (tels que le Sodium Na+ ou le chlore Cl-) comme indépendants les uns des autres et qu'ils se déplacent dans l'eau librement.

Mais, puisque ces ions sont, à la fois, chargés électriquement et libres de se déplacer, ils sont capables de répondre à un champ électrique. Ainsi, les ions chargés positivement se déplaceront vers une électrode chargée négativement et, à l'inverse, les ions négatifs iront vers une électrode positive. Comme les ions sont chargés électriquement et qu'ils se déplacent, ils constituent la source d'un courant électrique. Ainsi, pour mesurer la conductivité, on mesure simplement le flux d'électricité au travers de l'eau à l'intérieur d'un champ électrique.

Tableau n° 1
Conductivité Relative (C.R.)
de divers ions
cationsC.R.anionsC.R.
H+7,0OH-4,0
Li+0,8Cl-1,5
Na+1,0Br-1,6
K+1,5I-1,5
Mg++2,1NO3-1,4
Ca++2,4Acétate0,8
Zn++2,1SO4--3,2
Tableau n° 2
Conductivité Relative (C.R.)
de divers ions
CationsC.R.AnionsC.R.
H+7,0OH-4,0
Li+0,8Cl-1,5
Na+1,0Br-1,6
K+1,5I-1,5
Ca++1,2NO3-1,4
La++1,4Acétate0,8
SO4--1,6

Dans la pratique, le flux électrique mesuré dépend de plusieurs paramètres : 1- le nombre d'ions qui se déplacent, 2- les types d'ions qui sont présents (certains bougent plus rapidement que d'autres), et 3- la force du champ électrique. Si nous supposons que l'eau a les bons ratios d'ions (cela revient à rendre fixe et non variable le point -2-), alors le flux électrique mesuré peut être considéré comme une bonne mesure du nombre total d'ions en présence, ou en d'autres mots, une bonne mesure de la salinité !

Afin de comprendre si les types d'ions présents apportent une explication significative pour les aquariums marins, il est nécessaire de comprendre quelques autres aspects de la conductivité. Le plus important point à comprendre réside dans le fait que la plupart des ions contribuent à la conductivité à un degré à peu près identique. Le tableau n° 1 montre la conductivité relative de plusieurs ions. Les ions avec les charges électriques les plus élevées tendent à avoir une conductivité plus élevée car, non seulement ils portent une charge électrique plus haute mais aussi car ils répondent plus fortement à un champ électrique. De bons exemples sont le sulfate SO4-- et le Calcium Ca++ qui ont des conductivités supérieures au sodium Na+ ou au chlorure Cl-.

D'autre part, des ions plus gros ont tendance à se mouvoir moins rapidement dans l'eau et ont, de ce fait, une conductivité inférieure. Pour accepter de telles comparaisons, il faut tenir compte des molécules d'eau qui sont étroitement liées à la facilité de déplacement des autres molécules. Ainsi, on ne peut pas seulement considérer le poids moléculaire ou la taille (diamètre) des ions. C'est pourquoi, par exemple, le Lithium (Li+) est nettement moins conducteur que le sodium (Na+) qui est lui-même moins conducteur que le potassium (K+).

Le tableau n° 2 montre la variabilité de la conductivité ionique pour plusieurs molécules en fonction de leur mobilité (une mesure de la façon dont un ion peut volontiers se déplacer dans l'eau). Ainsi, les mêmes ions peuvent avoir une conductivité différente en fonction de leur concentration au sein du milieu aqueux. Par exemples, le calcium et le sulfate sont plus conducteurs dans le tableau 1 que dans le tableau 2.

Un autre facteur intéressant est la conductivité exceptionnellement grande des ions Hydrogène (H+) et hydroxyde (OH-). Ils ont des conductivités relatives très élevées et une mobilité importante, mais ce n'est absolument pas à cause de la petitesse de ces ions. D'ailleurs, ces ions ne se déplacent pas sur de grandes distances et leur grande mobilité apparente vient de la proximité des molécules d'eau entre elles. Ainsi, un ion hydrogène trouve immédiatement une zone d'échange avec la molécule d'eau voisine qui libère aussitôt un autre ion hydrogène. C'est de cette rapidité d'échange dont résulte ce mouvement, cette grande mobilité apparente. La conductivité importante des ions H+ et OH- vient de la faible distance à parcourir qui permet d'obtenir une vitesse relative d'échange importante.

Une première conclusion vient : le plus important pour la mesure de la salinité de l'eau de mer est qu'un ion qui n'est pas présent en concentration relativement haute ne contribue pas significativement au résultat total. Même les ions H+ et OH-, malgré leur conductivité relative élevée, ne contribuent pas énormément au total car leur concentration intrinsèque dans l'eau salée est extrêmement faible !

En fait, ce sont vraiment les ions Na+ et Cl- qui dominent complètement, apportant à eux seuls 90% de tous les ions en mouvement. Le magnésium Mg++ ajoute 5% et le sulfate SO4-- complète pour 2,5% supplémentaire les ions en présence. Ainsi, aussi longtemps que ces 4 ions sont présents à une concentration à peu près exacte, ils représentent plus de 97% du total de tous les ions apportant une contribution à la conductivité. De fait, les déséquilibres de concentration des autres ions influencent peu le résultat final et n'apportent qu'une contribution restreinte à la conductivité totale. D'ailleurs, les variations, si importantes pour d'autres aspects dans les aquariums marins, du calcium et des phosphates sont négligeables et n'ont qu'une très très faible conséquence sur la salinité !

Malheureusement, une complication supplémentaire vient entraver la facilité de la mesure de la salinité par la conductivité. En effet, la conductivité des ions dans l'eau dépend de la température. De nombreux facteurs causent cette incidence, mais le plus facile à comprendre est que les ions se déplacent naturellement plus rapidement au fur et à mesure que la température augmente (l'agitation est fonction de la chaleur). Du coup, avec un même nombre d'ions qui se déplacent, ces derniers allant plus vite avec une chaleur croissante, leurs conductivités relatives sont augmentées ! Par exemple, la conductivité de l'eau de mer à 5 °C est moitié moindre qu'à 37 °C !!! Pour cette raison, les conductimètres modernes mesurent à la fois et simultanément la conductivité et la température. Généralement, les conductimètres sont étalonnés aux environs de 10 °C et une correction interne (électronique) tient compte de ce facteur pour indiquer le résultat. En conséquence, vous pouvez mesurer la salinité de l'eau de mer indépendamment de la température. D'ailleurs, la relation exacte unissant la conductivité à l'égard de la température est bien connue : elle est définie par l'Equation Internationale d'Etat de l'eau de mer de l'Unesco (IES 080). Et plutôt qu'un long discours à ce sujet, référez-vous au module de «Calculs et Conversions Aquariophiles» qui vous permettra d'appréhender par essais les conséquences et l'influence de la température sur la conductivité et la salinité qui en découle.

Il y a toutefois une grande précaution à prendre avec le modèle de conductimètre à utiliser pour l'eau de mer : il s'agit de modèles spécifiques qui ne conviennent pas pour l'eau douce car les valeurs de conductivité, de l'ordre de 5,3 S/m* ou encore 53 mS/cm*, soit 53000 µS/cm* pour l'eau de mer naturelle sont extrêmement importantes comparativement à l'eau douce (maxi de 2000 µS/cm). Les sondes sont donc différentes (sauf pour des modèles haut de gamme dont, seule, la solution d'étalonnage va changer) !!! Si votre conductimètre n'intègre pas les fonctions de conversion entre conductivité et salinité, référez-vous encore au module de «Calculs et Conversions Aquariophiles».

Pour en revenir à la question initiale, c'est-à-dire pourquoi mesurer la salinité par le biais de la conductivité, c'est pour obtenir une valeur précise qui concordera le mieux avec les animaux que vous hébergez dans votre aquarium. Plus vous collerez aux valeurs naturelles dans lesquelles se maintiennent vos coraux et autres invertébrés (les vertébrés y sont moins sensibles), plus entrerez dans leur plage (intervalle de salinité ) de croissance optimum. C'est l'une des raisons pour lesquelles les aquariophiles marins tendent de plus en plus à réaliser des aquariums endémiques, car la salinité d'une mer ou d'un océan à l'autre varie (les mers ont une salinité plus élevée que les océans).

(*) Notes sur les unités :

  • le Siemens/mètre (S/m) est l'unité officielle du système métrique international qui est employé dans le module de « Calculs et Conversions Aquariophiles ».
  • le milli-Siemens/centimètre (mS/cm) est le facteur d'unité généralement employé par les scientifiques pour indiquer une conductivité forte telle que celle de l'eau de mer.
  • le micro-Siemens/centimètre (µS/cm) est usité pour indiquer les valeurs faibles de conductivité comme celles de l'eau douce (souvent < 2000 µs/cm).
  • 1 S/m = 10 mS/cm = 10000 µS/cm


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Publié par anemone-clown le 7/1/2008. 43852 lectures.