eau et solutions aqueuses

7/30/2019 Eau Et Solutions Aqueuses

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PCEM1 Biophysique - 1 -

EAU ET SOLUTIONS AQUEUSES


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RAPPELS SUR L'TAT LIQUIDE

Les mol cules sont jointives mais mobiles , anim es de mouvementsde translation comme l'tat gazeux.

Le libre parcours moyen des mol cules entre deux chocs est tr s faible(quelques , de l'ordre de 1 000 pour les gaz dans les conditionsnormales).

Le volume occup par le liquide tend se rapprocher du covolume b([p + ] [V - b] = RT pour les gaz r els).

Pour l' ther, par exemple, b = 0,83 V et le volume restant offert l'agitation thermique est V-b =

0,17 V .

La pression interne est tr s leve, responsable de phnom nes de

tension superficielle.


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L'EAU DANS L'ORGANISME (1)

Tous les tres vivants contiennent de l'eau (95 % pour les mduses,

50 % pour les spores).

Chez l'homme, exceptions faites des tissus osseux et adipeux(environ 30 %), la teneur en eau des principaux tissus varie de 75 80 %.

L'eau totale reprsente environ 65-70 % du poids corporel


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L'EAU DANS L'ORGANISME (2)

L'eau totale se r partit en:

eau intracellulaire : environ 40 % du poids corporel(soit environ 30 L pour un adulte de 70 kg)

eau extracellulaire : environ 20 % du poids corporel

3/4 en eau interstitielle = 16 % (12 L)

1/4 en eau plasmatique = 4,5 % (3 L)


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STRUCTURE SPATIALE DE LA MOLCULE D'EAU

2 sont impliqus dans les liaisonscovalentes avec les deux atomed'hydrogne. L'angle form par lesliaisons O-H est de 10428' et la distancO-H est de 0,958.

Les 4 autres, apparis 2 2, crent desdoublets libresdonnant un caract re lectrongatif l'oxygne.

Les orbitales des 2 doublets sontorientes dans un plan perpendiculaire celui des atomes H-O-H et formententre elles un angle de 120 (diffraction

des rayons X, spectromtrie infra-rouge)

H

H

0, 0 9 5

8 m m

10428'120

Six lectrons sur la couche lectroniqupriphrique de l'atome d'oxygne



CONSQUENCES DE CETTE STRUCTURE (1)

L'eau est un diple lectrique de moment trs lev (1,84 debye)

H

H

(+)

(+)

(-)10428

++++

Les doublets lectroniques des deux liaisons O-H sont beaucoup plusattirs par loxygne que par les atomes dhydrognes.

Les deux dipoles ainsi crs se composent en un diplepermanent rsultant.



CONSQUENCES DE CETTE STRUCTURE (2)

Les 2 doublets dlectrons de loxygne, nonimpliqus dans les liaisons covalentes avec leshydrognes de la molcule, se lient auxsommets hydrogne des 2 autres molculesdeau voisines.

Les liaisons O-H et les orbitales des doubletant rigidement orient

es, les liaisonshydrogne sont dans des directions

privilgies.

Chaque molcule d'eau est entoure de 4

voisines et l'nergie de liaison est leve.. ltat liquide, structure pseudo-cristalline

. ltat solide, structure cristalline(environ 50 kJ.mol-1 pour la glace).

Les molcules d'eau forment entre elles des liaisons hydrogne.

H

H

HH

H

H

H

HH

H


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PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (1)

1. Sa densit est maximale 4C et, par dfinition,gale 1.

Variations de la densit de l'eauen fonction de la temprature.

Au-del de 4C, l'agitation thermique loigne davantage les mol cules les unes desautres (densit dcro t)

L'eau liquide garde une structure pseudo-cristalline

d1

0,99940,9990

0,9998

4 8

Entre 0 et 4C, l'lvation de latemp rature rompt environ 40 % desliaisons hydrog ne du cristal deglace.Les mol cules non li es occupentmoins de place en s'ins rant l'int rieur des hexagones, entra nantune augmentation de la massevolumique (1 000 kg.m -3 4C et 910kg.m -3 pour la glace)



PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (2)2. Chaleurs de fusion et de vaporisation:

Valeurs anormalement leves qui tmoignent qu'une grande quantit d'nergie esncessaire pour dsorganiser partiellement la structure cristalline de la glace(chaleur de fusion :Lf = 80 cal.g-1), et pour rompre totalement les liaisons hydrogne, permettant le passage l'tagazeux(chaleur de vaporisation : Lv = 576 cal.g-1 37C)

C C100

-100

0 a

H2OH2S H2Se H2Te CH4 NH3 H2O HFNe

b

100

-100

-200

-273

0

Temprature de fusion et d'bullitionde divers corps de structure atomique (a) ou lectronique (b) voisine de celle de l'eau.

Evaporation d'environ 600 800 mL d'eau par jour par perspiration insensible( Lv

= 591 cal.g-1 20C) etrespiration(Lv = 576 cal.g-1 37 C)permet d'liminer environ 415 kcal (soit 1/5 de la chaleur produite)


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4. Conductivit calorifique ( ) de l'eau relativement leve permet d'viter, paraccumulation de chaleur, les hyperthermies locales.

(W.m -1.K-1)

air 0,025

graisse 0,1alcool thylique 0,23eau 0,6cuivre 380

Conductivit calorifique : dbit de chaleur (W) qui s'coule entre deux points d'un conducteur de 1 m 2 de section, distants l'un de l'autre de 1 m et dont la diffrence de temprature est de 1 degr.


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5. La tension superficielledveloppe par l'eau est trsleve (72,25 mJ.m -2)

6. La viscosit de l'eaun'est pas trop leve (1,009.10 -3Pa.s ou 1 Poiseuille , 20C) en raison de la trs grandefrquence de formation et de rupture des liaisonshydrogne, l'tat liquide.

1 Poiseuille (PI) = 1 kg.m -1 .s -1 = 1,009.10 -3 Pa.s


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7. D'aprs la loi de coulomb: deux charges de mme valeur absolue (Q = Q')mais de signes oppos s, plac es dans le vide une distance r l'une de l'autre,exercent, l'une sur l'autre, une force telle que:

Si les mmes charges sont plac es dans un milieu quelconque depermittivit ( > 0), la force est :

* la permittivit dfinit le facteur de transmission des forces lectriques

o est la permittivit * du vide Fo =

14 . o

Q.Q'r2

.

F =1

4 .Q.Q'r2.


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On appelle constante di lectrique d'un milieule rapport r = / 0,

avec r = 1 pour le vide ( o / o) et proche de 1 pour l'air ( air / o) :

Les forces d'attractions entre 2 charges dissoutes dans un liquide sont

d'autant plus faibles que la constante dilectrique ( ) du liquide est leve( r = 80 20 oC pour leau).

La constante dilectrique leve est responsable du fort pouvoir ionisant etdissolvant de leau

Fo =1

4 . o. rQ.Q'

r2.


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DFINITION D'UNE SOLUTION

Tout mlange homogne, en phase condense (liquide ou solide) :

En pratique, "solution" signifie solution liquide.

Le compos le plus abondant est appel "solvant ", les autres compos s(mol cules ou ions) sous forme de solide (sucre par exemple), de gaz(ammoniac par exemple), ou encore liquide (alcool pur par exemple)

sont appel s corps dissous ou " solut s".

La r partition en est homog ne jusqu'au stade mol culaire et s'opposeaux syst mes dispers s, avec phase dispersante et particules plus oumoins fines (phase dispers e).


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CLASSIFICATION DES SOLUTIONS (1)

Lorsque la quantit augmente, il existe une limite partir de laquelle le solidene se dissout plus, la solution est dite satur e (2 phases : solide - solutionsatur e)

La solubilit du solide d pend de la nature du solide, de celle du liquide et de latemp rature (habituellement, la solubilit augmente quand la temp ratureaugmente).

Solutions micromolculaires

Les molcules contiennent quelques dizaines d'atomes (exemples : ure, glucose, NaCl)

Solutions lectrolytiques (ions)Les ions sont obtenus par dissociation de compos s ioniques (ex :

acides, bases et sels) ou par ionisation en solution de compos s polaires(ex : HCl gazeux, CH 3 COOH liquide).

Ces solutions conduisent le courant lectrique.

Solutions neutres (molcules)



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CLASSIFICATION DES SOLUTIONS (2)Solutions macromolculaires

Les molcules contiennent entre 10 3 et 10 9 atomes (exemple : DNA)

Les solutions macromolculaires , l'oppos des solutions micromolculaires, ne

traversent pas certaines membranes (collodion)Elles s'opposent, thoriquement, aux suspensions

Pas de dispersion jusquau stade molculaire mais prsence dagglomrats detrs nombreuses et petites molcules du mme ordre de taille que certainesmacromolcules (ex: argile dans leau).

Etat dans lequel existent, dans un solvant, des amas molculaires de taille, etdonc de masse, si faible que ceux-ci sont maintenus en suspension l'tatdispers de faon stable (i.e., ne sdimentent pas en raison de l'agitationthermique des molcules du solvant qui l'entourent).

( b )


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CLASSIFICATION DES SOLUTIONS (2 bis)

Solutions macromolculaires

Les solutions collodales peuvent former des gels : rseaux molculairesaux mailles lches entre lesquelles le solvant et les soluts

micromolculaires circulent librement.

Le gel se comporte ainsi comme un tat liquide pour les petites molcules(exemple de gel : le cytoplasme).

En fait, passage progressif de l'tat de solution macromolculaire celuide suspension, par un tat intermdiaire appel "tat collodal"(diffraction de la lumire) :

"solutions" collodales et "suspensions" collodales


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Solutions idales

Une solution est dite idale si les diff rentes interactions intermol culairessont d'intensit s gales (solvant solvant, solut solvant, solut solut ), autrement dit si la pr sence du solut ne modifie en aucune fa on lesforces intermol culaires existant dans le solvant pur.

Une solution tend vers l'idalit au fur et mesure qu'on la dilue, le nombredes interactions solut -solut et solut -solvant devenant n gligeable devantle nombre des interactions solvant-solvant.


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Solutions idales

Ne peuvent tre consid res comme id ales :

solutions macromol culairescar les volumes des mol cules de macromol cules et de solvant sonttrs diff rents

Pour exemple, dans le plasma , 7 mol cules (1 de globuline et 6d'albumine) occupent la place de plus de 3 000 mol cules d'eau .

solutions lectrolytiques non dilu es (C > 10 -3 M)(forces ion-ion varient en 1/r 2, les forces solvant-solvant en 1/r 7)


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COMPOSITION DES SOLUTIONS

Solides :Quantit dissoute tr s variable, mais finie (saturation)

Gaz :Quantit dissoute, fonction de la pression partielle (Loi de Henry)

Liquides :miscibles: se m langent en une seule phase, quelles que soient les quantit srespectives en pr sence (exemple : alcool et eau)

partiellement miscibles: se m langent jusqu' une certaine concentration de solut au-del de laquelle appara t une d mixtion ( quivalent de saturation) avec

l'apparition de deux phases liquides, chacune ayant une proportion de solut et desolvant diff rente (exemple : eau et ther)

non miscibles: restent s pars, la phase la plus lourde restant au fond du r cipient(exemple: huile et eau). Par agitation, formation de tr s fines gouttelettes(mulsion)


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MLANGE DE DEUX LIQUIDES

HuileEau

AlcoolEau

EtherEau


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EXPRESSION DE LA COMPOSITION QUANTITATIVE D'UNE SOLUTI

Les propri ts des solutions d pendent de leur composition qualitative(ractions chimiques) et surtout quantitatives (osmose et pressionosmotique, abaissement de la pression de vapeur, lvation du pointd'bullition, abaissement du point de conglation).

Diff rents modes d'expression de la quantit de solut en solution :fraction molaire

concentration pondraleconcentration molaire et concentration molaleconcentration quivalenteconcentration osmolaire et concentration osmolale

FRACTION MOLAIRE


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FRACTION MOLAIRE

Rapport du nombre de moles d'un solut s au nombre total de moles (solvantn0 + solut s n i) en solution :

La notion de la fraction molaire ne fait appel aucune distinctionsolvant-soluts et, indpendante des conditions de mesure(notamment de la temprature), est la grandeur utilise enthermodynamique des solutions.

Sa signification est analogue celle de la pression partielle d'un gazdans un mlange.

f s =

ns

no + ni1

i

FRACTION MOLAIRE


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FRACTION MOLAIRE

En solutions biologiques, la fraction molaire de l'eau est toujours tr s proche de1 et celles des solut s trs petites devant 1.

Exemple : solution de 36 g de glucose (M = 180) dans un litre de solution

aqueuse (M = 18 pour l'eau) :

Ainsi, on prfre utiliser la notion de concentration (quantit de solut par unit de volume ou de masse de solution).

n glucose = 36 / 180 = 0,2 n eau = (1000 36) / 18 = 53,55

f glucose = 0,2 / (0,2 + 53,55) = 0,00372 f eau = 53,55 / (0,2 + 53,55) = 0,99628


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CONCENTRATION PONDRALE

Remarques :V d pend de la temp ratureLa concentration pond rale est la mani re habituelle de pr ciser la

concentration en biologieLa concentration pond rale est parfois exprim e en utilisant la masse,plutt que le volume, de solvant :exemple : glucos 5 % (5 g de glucose pour 100 g de solution)

m

Rapport de la masse (m) de solut s au volume (V) soit de solution, soit desolvant (plus rarement)

s m (g. -1 LC = V, kg. -3 L , mg.m -1, ....).


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CONCENTRATION MOLAIRE

mode d'expression recommand en biologie par l'OMS, quand lamasse molaire du solut est connue

solution molaire contient une mole par litre de solution (d cimolaire :un dixi me de mole, ...)

molarit :

la concentration molaire de l'eau est :

concentration pondralemasse molaire

1 00018

= 55,556 mol. L -1

Molarit exprime le nombre de moles de solut par unit de volume desolution(mol.m -3 ou, plus souvent en biologie, mmol.L -1)

Le suffixe mie indique, selon la convention OMS,une concentration par litre de plasma

CONCENTRATION MOLALE


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CONCENTRATION MOLALE

intervient directement dans les relations de Fick (diffusion), de Van't Hoff

(pression osmotique) ou de Donnan ( quilibre lectro-diffusif).

Molalit exprime le nombre de moles de solut par unit de masse du

solvant(mol.kg -1)

exprim e en mol.L -1 en m decine (l'eau tant le solvant et sa massespcifique gale 1 kg.L -1 4C)

indpendante de la temp raturedirectement li e la fraction molaire (f s)

f s = ns / (ns + nH2O) Cs = f s / (f H2O x M H2O) avec f H2O # 1

La molarit et la molalit d'un solut plasmatique diffrent, car 1 litre de plasmacontient 930 g d'eau et 70 g de protines.

C molale = C molaire / f H2O


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CONCENTRATION QUIVALENTE (1)

La dissociation des compos s ioniques ou l'ionisation de compos s polairesmis en solution produisent des ions, porteurs de charges positives oungatives. La quantit d'ions form s s'expriment en quivalents .

La concentration quivalente est exprime en quivalents par litre desolution (Eq.L -1, plus souvent mEq.L-1) ou par kilogramme de solvant

(nombres voisins pour les solutions aqueuses dilues).



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Si l'ion a une valence z et une concentration molaire C, sa concentration quivalente Ceqest gale z.C

Exemple : Solution contenant 10 mmol.L -1 de CaCl 2 et 5 mmol.L-1 de CaCO 3 :

CaCl2 Ca ++ + 2 Cl Ca ++ 10 20Cl 20 20

CaCO 3 Ca++ + CO3 Ca++ 5 10CO3 5 10

mmol.L -1 mEq.L-1

(Cl ) = 20 mEq.L -1 ; (Ca ++) = 30 mEq.L -1 ; (CO3 ) = 10 mEq.L -1

(anions) Eq.L -1 = (cations) Eq.L -1

"principe d' lectroneutralit " des solutions

(si = 1)

CONCENTRATION OSMOLAIRE ET CONCENTRATION OSMOLALE


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CONCENTRATION OSMOLAIRE ET CONCENTRATION OSMOLALE

En milieu liquide, les molcules de solvant et de solut, neutres ou ioniques,se dplacent les unes par rapport aux autres et chacune d'entre elles constitue"une entit cintique ".

Une osmole (osm)reprsente un nombre d'entits cintiques gal aunombre d'Avogadro. Ce nombre est rapport soit au volume desolution (osmolarit, osm.L-1), soit la masse de solvant(osmolalit, osm.kg-1).


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Les diffrentes manires de dfinir la concentration d'une solution


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Concentration Mesure Unit SI Sous-units usuelles

Pondrale La masse par unit kg/m 3 g/l, ng/ml, etcde volume

Molaire La quantit de matire mol/m 3 mmol/l, etcpar unit de volume desolution

Molale La quantit de matire mol/kg mmol/l deaupar unit de masse desolvant

Osmolaire Le nombre dentits osm/m 3 mosm/l, etccintiques par unit devolume de solution

Osmolale Le nombre dentits osm/kg mosm/l deaucintiques par unit demasse de solvant

Equivalente Le nombre de charges Eq/m 3 mEq/lpar unit de volume

: Il s'agit le plus souvent du volume de solution


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Mesure du volume dun compartiment

mthode de dilution :- quantit connue m de solut (traceur)- volume V inconnu de solvant (compartiment)

Prlvement dun chantillon aprs homognisationConcentration C = m/V V = m/C

m en moles,si concentration molaire volume V du compart t

si concentrat molale masse deau du compart t

Cas 1


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Cas 1

Compartiment 2

Compartiment 2

Compartiment 1

Compartiment 1

injection

prlvement


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Caractristiques du solut

traceur :- se rpartit de faon homogne dans le compartiment (V)

- ne diffuse pas (ou peu) en dehors

- nest pas mtabolis durant le temps de mesure- son introduction ne modifie pas le volume ducompartiment

Cas 2


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Cas 2

Compartiment 2

Compartiment 2

Compartiment 1

Compartiment 1

injection

prlvement

Volume des compartiments


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Volume des compartiments

compartiments :- intracellulaire- extra-cellulaire / interstitiel eau totale- extra-cellulaire / plasmatique

traceurs : endogne exogneeau totale eau* antipyrine

ure*extracell. Sulfate* mannitol*plasmatique Albumine* bleu Evans


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Volume de distribution


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Volume de distribution

Ceq : concentration lquilibre m/C eq ne reprsente plus le volume du compartiment m/C eq = volume de distribution VD du traceur

Si solut endogne, V D = M/C o M reprsente le stock changeable et C la concentration plasmatique


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eau et solutions aqueuses

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