Biophysique des Solutions PDF - Université de Béjaïa

Université de Béjaia Faculté de Médecine Département : Médecine M. Ali AKSAS Année Universitaire : 2024/2025  Biophysique des Solutions 1. Etats de la matière 2. Interactions intra-interatomiques 3. Principes de la thermodynamique 4. Propriétés c...

Université de Béjaia Faculté de Médecine Département : Médecine M. Ali AKSAS Année Universitaire : 2024/2025  Biophysique des Solutions 1. Etats de la matière 2. Interactions intra-interatomiques 3. Principes de la thermodynamique 4. Propriétés colligatives 5. Propriétés électriques  Partie II : Biophysique des Solutions 1- Etats de la Matière Un matériau peut se présenter sous forme : gazeux, liquide et solide. Toute transformation d’un état à un autre s’accompagne d’un dégagement ou d’une absorption d’énergie. Ces différents états contiennent les mêmes molécules. La différence de comportement est due essentiellement à des différences de liaison intermoléculaire qui tendent à lier les molécules entre elles tandis que l’agitation thermique et le mouvement Brownien tendent à les séparer. Exemple L'élément constitutif de la matière est l’ATOME. Etablir un modèle de structure de la matière, c'est décrire l'arrangement des atomes la constituant, en donnant leurs positions et la répartition des différentes espèces. D’un point de vue structural, on est amené à classer des matériaux en trois catégories correspondant aux états : Intermédiaire Ordonné Désordonné A. Etat Gaz Un gaz est un ensemble d'atomes, de molécules ou de particules quasiment indépendants. A basse pression, la plupart des gaz réels sont décrit par le modèle d'un gaz parfait qui repose sur : Les molécules / atomes sont des Les particules sont en agitation sphères dures dont le diamètre est permanente et ont des collisions négligeable devant les distances entre elles et contre les parois du inter moléculaires / inter récipient qui contient le gaz. Ces atomiques ; chocs sont des chocs élastiques ; Entre deux collisions, les molécules En dehors des chocs, les particules ont des trajectoires rectilignes ; sont sans interaction entre elles ; Toutes des directions sont équiprobables. La répartition des Les molécules se répartissent vitesses est isotrope : elle ne uniformément dans tout le volume dépend pas d’une direction offert ; particulière. Sur le plan macroscopique, on appelle gaz parfait tout gaz vérifiant simultanément : La théorie cinétique d’un gaz : Permet de mieux comprendre les propriétés physiques des gaz ; Elle est basée sur le mouvement des particules composant un gaz donné ; Elle permet d'expliquer le comportement macroscopique d'un gaz à partir des caractéristiques des mouvements des particules qui le composent ; Elle permet notamment de donner une interprétation microscopique aux notions de la température et de la pression, Température : c'est une mesure de l'agitation des particules, plus précisément de leur énergie cinétique ; Pression : résultat des chocs des particules sur la paroi. Elle est liée à leur quantité de mouvement ; A haute pression et basse température, les atomes/molécules interagissent tellement que le gaz se condense. Il en résulte que la quantité de mouvement des particules n’est pas entièrement cédée à la paroi du récipient. La pression sur la paroi sera en réalité plus faible que pour un gaz parfait. B. Etat Liquide Un liquide est un ensemble d'atomes, de molécules ou de particules peu liés entre eux. Un liquide, comme un gaz réel, est un fluide. Il obéit d’ailleurs à la même équation de Van Der Waals que sa vapeur. Dans un liquide, les distances intermoléculaires sont très petites. Il en résulte une série de conséquences importantes : Absence d’expansion dans un volume offert : le liquide à un volume défini, les molécules s’attirent suffisamment pour rester voisines ; Cette cohésion n’est pas suffisante pour lui imposer une forme définie : le liquide coule et prend la forme du récipient sous l'effet de la gravité ; Les molécules se déplacent les unes par rapport aux autres. L’agitation thermique des liquides comporte donc des mouvements de translation, rotation moléculaire et vibration atomique intermoléculaire ; Dans un champ de gravité uniforme, la surface libre d'un liquide est plane et horizontale ; Les molécules ont des vitesses très diverses : les plus rapides ont une énergie suffisante pour vaincre la pression de cohésion et atteindre l’interface liquide – vapeur avec une vitesse nulle et les molécules rapides peuvent passer à l’état vapeur. C. Etat Solide Un solide est un ensemble d'atomes, de molécules ou de particules fortement liés entre eux. Il est caractérisé par l'absence de liberté des constituants. Macroscopiquement, un solide a une forme propre et occupe un volume propre. La plupart des solides sont organisés sous l’une des formes suivantes : Les cristaux (Structure ordonnée) : Dans presque tous les solides, on peut observer une dispersion très régulière des atomes ou des molécules dans un réseau à trois (03) dimensions. Les verres (structure amorphe ou désordonnée) : Certains solides présente un ordre à courte portée seulement, a l’instar des liquides : on les dénomme solides amorphes ou verres.  Les polymères : Un polymère est un composé organique. Il est constitué de molécules de grande dimension contenant jusqu'à quelques milliers d'atomes. Ces chaînes moléculaires se forment par polymérisation (adjonction de petites unités, dites les monomères, les unes aux autres).  Artificiel : Les polymères artificiels Naturel : Les polymères naturels sont obtenus par modification des sont issus des règnes végétal ou polymères naturels de façon à animal. modifier certaines de leurs La cellulose, constituant les propriétés selon le domaine parois des cellules végétales et d'application. principal constituant du bois ; Dérivés de la cellulose, utilisés en Les protéines, le fil de soie ; particulier pour les anciennes Le caoutchouc naturel pellicules de photographie et de cinéma, et fibres textiles : Synthétique : Les polymères trinitrate de cellulose synthétiques sont totalement issus (nitrocellulose, coton poudre), du génie de l’Homme, sont obtenus triacétate de cellulose (viscose, par polymérisation de molécules soie artificielle, rayonne) ; monomères. On cite le polyéthylène Méthacrylate de méthyle (nom (PE), polychlorure de vinyle (PVC), commercial : plexiglas ou polystyrène (PS), polyéthylène altuglas) ; téréphtalate (PET)… Polyamides (Nylon) ; Polyesters (Tergal).  Les solides composites : Beaucoup de solides rencontrés associent des cristaux, des verres et des polymères. C’est par exemple le cas du cartilage. D. Autres Etats de la matière Le plasma : La matière devient un plasma quand elle est chauffée à très haute température (environ 2 000 °C) ou soumise à un champ électromagnétique intense. Le plasma est un gaz ionisé dans lequel les électrons sont libres et ne sont plus attachés à un atome ou à une molécule. Il est donc constitué d'ions, d'électrons et de molécules neutres. L'état superfluide : la superfluidité est L'état supercritique : C’est un état un état où la matière se comporte de la matière qui se présente comme un fluide dépourvu de toute lorsque la matière est soumise à viscosité. C'est par exemple le cas de une température au-delà de sa l'hélium liquide à très basse température critique et à une température) ; pression au-delà de sa pression critique. L'état supraconducteur : La supraconductivité désigne la propriété de certains matériaux de conduire parfaitement le courant électrique (sans aucune résistance) en générant d’importants champs magnétiques. Ce phénomène physique n’est atteint qu’à de très basses températures proches du zéro absolu. Les matériaux supraconducteurs permettent ainsi de propager des intensités électriques considérables ( courants forts ) mais aussi des très importants flux d’informations ( courants faibles ) sans dissipation d’énergie. Dans ces matériaux, on peut aussi stocker de l’électricité sans pertes à long terme et exploiter les champs magnétiques intenses qui les entourent pour mettre en lévitation de fortes charges métalliques et les déplacer sans frottements mécaniques.  Les cristaux liquides : Ce sont des liquides ordonnés. Au cours de la fusion du cristal certains matériaux passent par un état intermédiaire entre le liquide et le solide, cette phase est dite mésophase ou cristal liquide. A : phase CRISTALLINE B : phase SMECTIQUE C : Phase NEMATIQUE D : phase CHOLESTERIQUE.