L’ÉNERGIE DANS LES PLANTES, BATTERIES NATURELLES

Programmes SPC

Thème La pratique du sport Solution : solvant, soluté, dissolution d’une espèce moléculaire. Extraction, séparation et identification d’espèces chimiques. Chromatographie. Thème L’Univers Spectres d’absorption, spectres de raies. Caractérisation d’une radiation par sa longueur d’onde. Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

SVT Thème 2 : Enjeux planétaires contemporains La lumière solaire permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux, la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone. Ce processus permet l’entrée d’énergie dans la biosphère.

Acquis de troisième en SPC : L’énergie peut prendre différentes formes (de position, mécanique, de mouvement (ex : cinétique)). L’énergie se conserve et peut être convertie d’une forme à une autre. Idée force au programme de seconde en SVT : conversion d’énergie (énergie lumineuse � énergie chimique) lors de la photosynthèse. L’énergie ne se crée pas à partir de rien, elle subit des conversions et des transferts permanents auxquels participent les êtres vivants. ___________________________________________________________________________________________________________________________

Situation « d’accroche »

Problématique : Si de l’énergie est produite par la plante, c’est qu’elle en reçoit. Que se passe-t-il au niveau de la feuille, capteur d’énergie lumineuse ?

Hypothèse : la chlorophylle, est l’agent de la conversion.

Mise en œuvre - Ateliers

Atelier 1 : Au pays des molécules (chimie) � Je découvre la molécule de chlorophylle � J’investis mes connaissances : je repère quelques groupes caractéristiques (alcène,

groupement ester, groupement carbonyle) � Je complète la formule brute C55H72NxOyMgz. Découvrir x, y et z. (x = 4, y = 5 et z y = 1) � La chlorophylle contient-elle l’élément chlore ; quelle est l’étymologie du terme

chlorophylle ? (non ; feuille verte) Remarque pour le professeur de SVT : le dichlore est un gaz verdâtre.

Atelier 2 : Une drôle d’infusion… (biologie et chimie) Sur la paillasse � J’extrais la chlorophylle dite brute et j’obtiens une solution alcoolique (biologie) � Je sépare les pigments de la chlorophylle brute par chromatographie sur papier (chimie) →

résultats :

� Donc la chlorophylle « brute » est un mélange de pigments : chlorophylle a, chlorophylle b,

carotènes, xanthophylles.

Atelier 3 : Un piège à lumière (physique et biologie) A. Observer un spectre d’absorption : avec le banc d’optique ou le rétroprojecteur

Sur le banc d’optique avec un réseau

Obtenir l’image de la fente sur l’écran

Interposer un réseau de bonne qualité

Interposer la cuve avec la solution de chlorophylle (position au choix)

Dessiner le spectre obtenu, en le coloriant.

Montage du banc d’optique :

Photographies des résultats obtenus :

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la chlorophylle brute

Avec une puissante source de lumière blanche On associe le rétroprojecteur avec un prisme ou un réseau.

Obtenir le spectre de la lumière blanche.

Couvrir la surface du rétroprojecteur de papier noir en laissant une fente lumineuse dont l’image se forme sur l’écran ; puis interposer le prisme (ou le réseau).

Observer le spectre d’absorption de la solution de chlorophylle.

Poser la cuve de solution de chlorophylle brute sur une moitié de la fente ; sont ainsi juxtaposés sur l’écran le spectre de la lumière blanche et le spectre d’absorption de la solution de chlorophylle.

Dessiner, en les coloriant, les spectres obtenus avec et sans chlorophylle

Photographies des résultats obtenus :

B. Réfléchir � comparer le spectre d’absorption observé avec le spectre de raies d’absorption rencontré

précédemment en SPC. On observe non plus des raies sombres d’absorption sur un fond coloré mais des bandes sombres d’absorption sur un fond coloré. Pour le professeur : dans le cas d’une molécule complexe en solution, les possibilités de mouvement des particules constituantes sont beaucoup plus nombreuses que dans les atomes isolés; ll en résulte un très grand nombre de raies d’absorption très proches qui constituent ainsi des bandes d’absorption. . Justifier simplement que les radiations vertes ne sont pas absorbées Comme la solution apparaît verte, des radiations vertes partent de la solution. Les radiations vertes ne sont pas absorbées.

. En quoi l’expérience mise en œuvre démontre-t-elle que la chlorophylle est un « piège à lumière » ? La lumière arrivant sur la cuve contient toutes les radiations ; après traversée de la cuve, de nombreuses radiations ( et l’énergie correspondante) ont disparu du spectre: comme l’énergie se conserve, on en déduit que la chlorophylle a absorbé (piégé) cette énergie.

Atelier 4 : Aller plus loin : quantifier avec le spectrophotomètre (chimie et biologie) Apprendre Un dispositif émet successivement toutes les radiations monochromatiques du spectre visible, il « balaye » ce spectre. Chaque lumière est envoyée dans une cuve contenant la solution de chlorophylle brute; l’appareil mesure pour chaque radiation la quantité d’énergie lumineuse qui entre dans la cuve et la quantité qui en sort ; le spectrophotomètre en tire l’absorbance A de la solution ; cette grandeur sans unité caractérise la proportion d’énergie absorbée par la solution pour une longueur donnée ; plus la proportion est importante, plus l’absorbance est grande ; une radiation qui n’est pas absorbée correspond à une absorbance nulle. Le spectrophotomètre fournit une courbe représentant l’absorbance de la solution (en ordonnée) en fonction de la longueur d’onde (en abscisse) ; cette courbe constitue le spectre d’absorption de la solution. Pour le professeur :

L’absorbance se calcule par : I

IA 0

10log=

L’absorbance est proportionnelle à la concentration c de la solution de chlorophylle et à la longueur l de la cuve. Ainsi : A = ε(λ).l.c Le coefficient d’extinction molaire ε dépend de λ et de la nature de la solution.

Utiliser un appareil perfectionné A l’aide de la notice, faire tracer par le spectrophotomètre le spectre d’absorption de la solution de chlorophylle. Exploiter : déterminer les intervalles de longueur d’onde pour lesquelles l’absorbance est supérieure à 0,5. Quelles sont les couleurs correspondantes ?

I0

I

l

C concentration de la solution

On mesure les distances correspondant à 800-400 (nm) (33 cm sur la figure), à λ1(nm) -400 nm 7,5 cm sur la figure. Ainsi : λ1 = 400 + (7,5 x 400/33) ≈ 4,9 x 102 nm De même : λ2 = 400 + (21 x 400/33) ≈ 6,5 x 102 nm

λ3 = 400 + (23 x 400/33) ≈ 6,8 x 102 nm Donc, absorption si : 4,0 x102 nm < λ < 4,9 x 102 nm (radiations autour de l’orange)

ou si : 6,5 x 102 nm < λ < 6,8 x 102 nm (radiations autour du bleu) Prévoir Certains végétaux contiennent un mélange de pigments original (chlorophylle a + phycoérythrine + phycocyanine). Le fichier fourni indique la valeur de l’absorbance de chaque pigment pour différentes longueurs d’onde. En admettant que l’absorbance totale est la somme des absorbances, reconstituer avec un tableur-grapheur le spectre d’absorption du mélange. Résultat obtenu :

Pour le professeur : pour un mélange de constituants, l’absorbance obéit à une loi d’additivité :

A = ε1.l.c1 + ε2.l.c2 + ε3.l.c3 + …. Perspectives : En SVT, ouverture sur la séance suivante : toutes les radiations lumineuses sont-elles aussi efficaces dans la photosynthèse ? SPC : expliquer l’existence de raies et bandes d’absorption à partir de la structure des atomes et molécules. Nous remercions Madame CHARRIER, technicienne, pour sa contribution à ces expériences.