pcem1 – biophysique- 1 - eau et solutions aqueuses

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  • PCEM1 Biophysique- 1 - EAU ET SOLUTIONS AQUEUSES
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  • PCEM1 Biophysique- 2 - RAPPELS SUR L'TAT LIQUIDE Les mol cules sont jointives mais mobiles, anim es de mouvements de 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 conditions normales). 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 lev e, responsable de ph nom nes de tension superficielle.
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  • PCEM1 Biophysique- 3 - 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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  • PCEM1 Biophysique- 4 - 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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  • PCEM1 Biophysique- 5 - L'EAU DANS L'ORGANISME (3) Pour un individu donn , l'eau totale est remarquablement constante (apport rapidement et pr cis ment limin ) Bilan quotidien de l'eau Apports :endog ne * = 0,3Sorties:respiration = 0,9 (L)exog ne ** = 2,5 (L)perspiration =0,6 urines et f ces =1,3 * Glucides (CO 2 et H 2 O) ** eau des aliments (1/2) et des boissons (1/2)
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  • PCEM1 Biophysique- 6 - STRUCTURE SPATIALE DE LA MOLCULE D'EAU 2 sont impliqu s dans les liaisons covalentes avec les deux atomes d'hydrog ne. L'angle form par les liaisons O-H est de 10428' et la distance O-H est de 0,958 . Les 4 autres, appari s 2 2, cr ent des doublets libres donnant un caract re lectron gatif l'oxyg ne. Les orbitales des 2 doublets sont orient es dans un plan perpendiculaire celui des atomes H-O-H et forment entre elles un angle de 120 (diffraction des rayons X, spectrom trie infra- rouge) Six lectrons sur la couche lectronique priphrique de l'atome d'oxygne
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  • PCEM1 Biophysique- 7 - CONSQUENCES DE CETTE STRUCTURE (1) L'eau est un diple lectrique de moment tr s lev (1,84 debye) H H (+) (-) 10428 Les doublets lectroniques des deux liaisons O-H sont beaucoup plus attirs par loxygne que par les atomes dhydrognes. Les deux dipoles ainsi crs se composent en un diple permanent rsultant.
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  • PCEM1 Biophysique- 8 - CONSQUENCES DE CETTE STRUCTURE (2) Les 2 doublets d lectrons de l oxyg ne, non impliqu s dans les liaisons covalentes avec les 2 hydrog nes de la mol cule, se lient aux sommets hydrog ne des 2 autres mol cules d eau voisines. Les liaisons O-H et les orbitales des doublets tant rigidement orient es, les liaisons hydrog ne sont dans des directions privil gi es. Chaque mol cule d'eau est entour e de 4 voisines et l' nergie de liaison est lev e.. l tat liquide, structure pseudo- cristalline. l tat solide, structure cristalline (environ 50 kJ.mol -1 pour la glace). Les molcules d'eau forment entre elles des liaisons hydrogne.
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  • PCEM1 Biophysique- 9 - STRUCTURE DE LA GLACE Selon les conditions de P et T, la glace poss de plusieurs formes cristallines. A pression atmosph rique, la glace de type I est de structure hexagonale (1 atome d'oxyg ne par sommet) Les liaisons O-H forment un angle de 109 et ont une longueur de 0,97 1,01 . Consquences:Structure cristalline "trs are", d'encombrement suprieur l'eau liquide (1 L d'eau 1,098 L de glace 0C) et donc la glace est un solide de densit infrieure celle de sa forme liquide.
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  • PCEM1 Biophysique- 10 - PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (1) 1.Sa densit est maximale 4C et, par dfinition, gale 1. Variations de la densit de l'eau en fonction de la temprature. Au-del de 4C, l'agitation thermique loigne davantage les mol cules les unes des autres (densit d cro t) L'eau liquide garde une structure pseudo-cristalline d 1 0,9994 0,9990 0,9998 4 8 Entre 0 et 4C, l' l vation de la temp rature rompt environ 40 % des liaisons hydrog ne du cristal de glace. Les mol cules non li es occupent moins de place en s'ins rant l'int rieur des hexagones, entra nant une augmentation de la masse volumique (1 000 kg.m -3 4C et 910 kg.m -3 pour la glace)
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  • PCEM1 Biophysique- 11 - 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 est ncessaire 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'tat gazeux (chaleur de vaporisation : L v = 576 cal.g -1 37C) C 100 -100 0 a H 2 OH 2 SH 2 SeH 2 TeCH 4 NH 3 H 2 OHFNe b 100 -100 -200 -273 0 Temprature de fusion et d'bullition de 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 ( L v = 591 cal.g -1 20C) et respiration (Lv = 576 cal.g -1 37 C) permet d'liminer environ 415 kcal (soit 1/5 de la chaleur produite).
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  • PCEM1 Biophysique- 12 - PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (3) 3. Chaleur massique (1 cal.K-1.g -1 entre 15 et 16C) et chaleur spcifique (18 cal.K -1.mol -1 ou 75 J.K -1.mol -1 ) anormalement leves Ex. : chaleurs massiques (cal.K -1.g -1 ) entre 0,4 et 0,6 pour de nombreux liquides organiques (alcool, glyc rol, ac tone...) entre 0,3 et 0,4 pour divers compos s biochimiques (acide palmitique, ur e, oses, acides amin s,...) entre 0,1 et 0,3 pour divers m taux (Ca, K, Mg, Na) Rle de "volant calorique" :, soit pour un adulte de 70 kg avec 65 % d'eau (m = 45 kg) : Un apport de 45 kcal l ve la temp rature corporelle au maximum de 1C.
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  • PCEM1 Biophysique- 13 - PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (4) 4.Conductivit calorifique ( ) de l'eau relativement leve permet d'viter, par accumulation de chaleur, les hyperthermies locales. (W.m -1.K -1 ) air0,025 graisse 0,1 alcool thylique 0,23 eau 0,6 cuivre 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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  • PCEM1 Biophysique- 14 - PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (5) 5.La tension superficielle dveloppe par l'eau est trs leve (72,25 mJ.m -2 ) 6.La viscosit de l'eau n'est pas trop leve (1,009.10 -3 Pa.s ou 1 Poiseuille, 20C) en raison de la trs grande frquence de formation et de rupture des liaisons hydrogne, l'tat liquide. 1 Poiseuille (PI) = 1 kg.m -1.s -1 = 1,009.10 -3 Pa.s
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  • PCEM1 Biophysique- 15 - PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (6) 7. D'apr s 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 de permittivit ( > 0 ), la force est : * la permittivit dfinit le facteur de transmission des forces lectriques o est la permittivit * du vide F o = 1 4. o Q.Q' r2r2. F = 1 4. Q.Q' r2r2.
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  • PCEM1 Biophysique- 16 - PROPRITS PHYSICO-CHIMIQUES DE L'EAU (7) On appelle constante di lectrique d'un milieu le 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 o C pour leau). La constante dilectrique leve est responsable du fort pouvoir ionisant et dissolvant de leau F o = 1 4. o. r Q.Q' r2r2.
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  • PCEM1 Biophysique- 17 - 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'oppose aux syst mes dispers s, avec phase dispersante et particules plus ou moins fines (phase dispers e).
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  • PCEM1 Biophysique- 18 - CLASSIFICATION DES SOLUTIONS (1) Lorsque la quantit augmente, il existe une limite partir de laquelle le solide ne se dissout plus, la solution est dite satur e (2 phases : solide - solution satur e) La solubilit du solide d pend de la nature du solide, de celle du liquide et de la temp rature (habituellement, la solubilit augmente quand la temp rature augmente). 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