Cours 3 - Chimie PDF Octobre 2024

COURS 3 - CHIMIE OCTOBRE 2024  L'eau C'est le constituant principal de toute la matière vivante (plus de 60%), les degrés d'hydratation varient selon les espèces. La proportion d'eau dans les organismes animaux est diminue avec l'âge: jeune animal 75-85%, mâle adulte 60%; Réparti...

COURS 3 - CHIMIE OCTOBRE 2024  L'eau C'est le constituant principal de toute la matière vivante (plus de 60%), les degrés d'hydratation varient selon les espèces. La proportion d'eau dans les organismes animaux est diminue avec l'âge: jeune animal 75-85%, mâle adulte 60%; Répartition de l'eau: ❖ Fluide intracellulaire: solutions de phosphate et protéines de potassium, petites quantités d’ions chlore, grandes quantités d’ions potassium; ❖ Liquide extracellulaire: liquide interstitiel, plasma sanguin (chlorure de sodium). 2 3  Rôle de l'eau dans les processus biologiques Structural Solvant biologique Stabilisation Source d'ions H + et HO- Réactif direct Moyen de transport Thermorégulation 4  Structure et propriétés physico-chimiques de l'eau Longueur de lien H-O-H - 0,0965nm, Avec un angle de 104,5°, Lien de Hidrogen, La vaporisation a besoin d'une forte quantité d'énergie, Viscosity est élevé, Liens dipol-dipol, Constante diélectrique élevée, 5 L'eau comme solvant et environnement réactionnel Est solvant pour: substances ioniques (acides, bases, sels) substances non ioniques mais de structure polaire (glucides, alcools, aldéhydes, cétones). Hydratation - établir des liaisons d’attraction dipol-ion. La constante diélectrique du milieu représente la capacité du solvant à diminuer les forces d’attraction entre des ions de charge électrique différente. 6  La cohésion du H2O fait référence à l'attraction de molécules vers d'autres molécules du même type, et les molécules d'eau ont de fortes forces de cohésion grâce à leur capacité à former des liaisons hydrogène entre elles. L'adhésion est l'attraction de molécules d'un type vers des molécules d'un type différent, et elle peut être assez forte pour l'eau, en particulier avec d'autres molécules portant des charges positives ou négatives. 7 Produit ionique de l'eau 1. Autoprotolyse de l’eau Une mesure de conductivité peut permettre de déterminer la concentration d’une espèce ionique en solution. Pour de l'eau « pure » une telle mesure montrerait qu'elle contient des ions en quantité très faible. Les molécules d’eau sont en agitation permanente, donc en interaction permanente. Sous l’effet de ces interactions, certaines molécules d’eau peuvent libérer un proton H+ : une liaison O–H d’une molécule d’eau, affaiblie par une liaison hydrogène avec une autre molécule d’eau, se brise, donnant naissance à un ion HO– et un ion H +. Très réactif à l’état isolé du fait de sa petite taille et de sa mobilité, dépourvu de tout électron, le proton H+ peut s’approcher très près d’une autre espèce chimique riche en électrons, comme une molécule d’eau, avec laquelle il crée une association à la fois solide et de très brève durée de vie : l’ion hydronium (oxonium) H3O+. Au bout d’un temps très court, quelques picosecondes, l’ion H+ quitte cette association chimique pour former avec une molécule d’eau voisine un autre ion hydronium. L’eau pure contient des ions hydronium H3O+ et hydroxyde HO– en quantités égales provenant de la dissociation de molécules d’eau. L’échange d’un proton se faisant entre deux molécules identiques, on parle de « l’autoprotolyse de l’eau ». 8  Les concentrations en ions hydronium et hydroxyde dans l’eau pure sont très faibles : à 25°C [ H3O+ ] = [HO– ] = 10-7 mol.L-1 La proportion de molécules dissociées est très faible : environ une molécule sur 556 millions est dissociée. L’eau pure est partiellement ionisée, car la réaction d’autoprotolyse est limitée 2 H 2O ⇄ H3O+ + HO– Au sein de l’eau ou de toute solution aqueuse, il existe un équilibre chimique entre les trois espèces chimiques: H2O, H3O+ et HO–. Un équilibre chimique est un système dynamique où les deux réactions inverses (autoprotolyse de l’eau, transfert d’un proton à un ion HO – par H3O+ pour redonner une molécule d’eau) se produisent simultanément et à la même vitesse, les concentrations des différentes espèces restent alors constantes. 9  2. Poduit ionique de l'eau Dans une eau pure, des mesures conductimétriques, réalisées à 25 °C donnent les résultats suivants : [H3O+] = [HO–] = 10-7 mol.L-1 A une température donnée, pour toute solution aqueuse diluée, quels que soient le nombre et la nature des ions présents dans cette solution, le produit des concentrations molaires en ions hydronium et hydroxyde reste constant. Ce produit s’appelle « produit ionique de l’eau », noté Ke [H3O+]. [HO-] = Ke à 25 °C, Ke = 10-14 (sans unité) On peut définir pKe = – log Ke = 14 à 25 °C le produit ionique de l’eau croît avec la température La définition du produit ionique de l’eau permet d’interpréter la relation entre le pH et la concentration pour les solutions diluées de bases fortes. [H3O+] = 10-pH soit pH = – log [H3O+] [H3O+]. [HO–] = Ke soit [H3O+] = Ke [OH-] pH = - log ( Ke ) [OH-] pH = - log (Ke) + log ([OH-]) pH = 14 + log (Cb) 10  Une espéce amphotère fait référence à une substance qui peut agir à la fois comme un acide et une base, selon les conditions. Les substances amphotères ont la capacité soit de donner des protons (ions H⁺) dans des conditions acides, soit d’accepter des protons dans des conditions basiques. L’eau (H₂O) : L’eau peut agir à la fois comme un acide et une base. Il peut donner un proton pour qu’il devienne de l’hydroxyde (OH⁻), agissant comme un acide, ou accepter qu’un proton devienne de l’hydronium (H₃O⁺), agissant comme une base. Comme base : H₂O + H⁺ → H₃O⁺ Conséquences: Sous forme d’acide : H₂O → OH⁻ + H⁺ Solution neutre [H3O+] = [HO–] Ke = [H3O+].[HO–] = [H3O+]2 soit [H3O+] = 10-7 mol.L-1 pH = - log [H3O+] = - log 10-7 = – ½ log Ke = ½ pKe pH = 7 à 25 °C Solution acide [H3O+] > [HO-] Ke = [H3O+].[HO–] < [H3O+]2 soit [H3O+] > 10-7 mol.L-1 pH = – log [H3O+] < – log 10-7 pH < – ½ log Ke soit pH < ½ pKe pH < 7 à 25 °C Solution basique [H3O+] < [HO-] pH > – ½ log Ke soit pH > ½ pKe pH > 7 à 25 °C 11  Produit ionique et le pH de l'eau H2O H + + OH- (1) K = constante dissociation de de (2) l'eau = 1,8 x 10-16 a 25°C Ke = K [H2O] =[H +] [OH- ] Ke = produit ionique de l'eau (3) [H2O] = Molécule gramme/l 55,56 Ke = 1,8 x 10-16 X 55,56 = 1 x 10-14 12  [H +] [OH- ] = 10-14 Des solutions aqueuses où [H +] = [OH-] = 10-7, comme dans l'eau pure sont DES SOLUTIONS NEUTRES. Des solutions aqueuses où [H +] > [OH-] > 10-7, sont DES SOLUTIONS D’ACIDE Des solutions aqueuses où [H +] < [OH-] < 10-7, sont DES SOLUTIONS DE BASE pH = est le logarithme commun avec changement de caractère, négatif, de la concentration en ions hydrogène. (Sorensen, 1909). 13  À 25°C, dans une solution neutre, où [H +] = [OH-] = 1 x 10-7 M, le pH sera: Pour un exemple général où [H +] = A x 10-n, pH = n – log A Des solutions d'acide PH < 7 Des solutions neutres PH = 7 Solutions alcalines PH > 7 14  L'organisme animal en acides et bases La production d'acide L’acide pyruvique ou acide lactique - lors de la dégradation anaérobique du glucose L’acide carbonique - dans la dégradation aérobie du glucose L’acides gras - dans le métabolisme des lipides L’acides et bases - dans le métabolisme protidique par dégradation oxydative d'acides aminés La synthèse des bases dans l'organisme a lieu en petites quantités par rapport à la synthèse des acides. The body produces bases primarily through: Bicarbonate ion (HCO₃⁻) production as part of CO₂ transport and acid buffering. Amino acid metabolism, especially through the production of ammonia (NH₃) in the liver. Buffering systems such as the phosphate buffer system and bicarbonate. 15  Systèmes tampon Les solutions tampons peuvent résister aux changements de pH Sont des mélanges de solutions qui, lors de l’ajout d’acides ou de bases en petites quantités ou lors de la dilution, ont la propriété de maintenir le pH. On appelle tampons des substances qui, lorsqu'elles sont présentes dans une solution, maintiennent celle-ci à un pH relativement constant, quand un acide ou une base y sont ajoutés. Les systèmes tampons biologiques sont de deux types : extracellulaire et intracellulaire. Exemples de solutions tampon : Mélange de solutions acides faibles avec leurs sels avec des bases (Ex. CH3COOH et CH3COONa) ; Mélange de solutions de bases faibles avec leurs sels avec les acides durs (Ex. NH4OH et NH4Cl) ; Mélange des solutions de l'enseignement primaire et secondaire de sels des acides polybasiques (Ex. NaH2PO4 Et 16  Mécanisme d'action des systèmes tampon CH3COO- + Na + + CH3-COOH + H+Cl- = Na+Cl - + 2CH3COOH -les ions hydrogène bloquant l'insert en solution en rendant l'acide faible et non dissocié. CH3COO- + Na ++ CH3COOH + Na +OH- =2CH3COO- + 2Na ++H2O -Les ions hydroxyles ne restent libres en solution, ils sont transformer dans l'eau, pratiquement non dissociés. Ecuation Henderson-Hasselbach accepteur de [ A⁻ ] protons [ HA ] [ donneur de proton Où : pH : La mesure de l'acidité ou de la basicité de la solution. pKa : Le logarithme négatif de la constante de dissociation acide (Ka), qui reflète la force de l'acide. [A⁻] : La concentration de la base conjuguée (the dissociated form of the weak acid). [HA] : La concentration de l'acide faible (the undissociated form). 17  Systèmes tampon d’organisme animal ❖ Système tampon phosphate ▪ KH2PO4 et K2HPO4 intracellulaires ▪ NaH2PO4 et Na2HPO4 extracellulaires ❖ Système tampon acide carbonique – bicarbonate la concentration en bicarbonate est 20 fois supérieure à la concentration en acide, ce qui permet au système tamponné de gérer efficacement les acides. ❖ système tampon de l'hémoglobine ❖ système de protéines ❖ système tampon composé d'acides organiques acide lactique / lactate alcalin, acide pyruvique / piruvate alcalin, acide acétoacétique / un de ses sels alcalins. 18  Les hydrocarbures sont des composés qui ont seulement dans leur structure des atomes de carbone et d'hydrogène. Hydrocarbures Aliphatic Aromatic Saturé Nonsaturé Périphérique Polinuclear Les alcanes Les alcènes Cycloalcanes Alkadyenes Alcynes 19 Les hydrocarbures aromatiques (dérivés du benzène) Les substances constituées de carbone et d'hydrogène, ayant dans leur structure un ou plusieurs noyaux benzéniques.  Aromaticité : Ensemble de propriétés thermodynamiques et chimiques particulières aux systèmes insaturés, conjugués et cycliques C6 H6 21 22  Structure basée Structure de Kekule sur la théorie de mécanique quantique Confirmer que : Explique : - Rapport entre nombre d'atomes C et H - Équivalence des 6 atomes de est 1:1, Avec anneau de benzène ayant des 6 carbone atomes. - Délocalisation de π electrons en - Dans l'anneau 3 doubles liaisons formant un orbital moléculaire - Ces 6 atomes d'hydrogène sont équivalents entre eux - Existence du caractère - Addition a lieu avec des réactions énergiques aromatique qui à de préférence Ne peut pas expliquer que : pour les réactions de - le benzène donne des réactions de substitution substitutions au lieu des faciles réactions d’addition et - est très stable à l'oxydation d'oxydation. - ne polymérise pas - il n’existe que 3 composés de substitution: orto, meta, para - tous les liens sont égaux. 23  Les hydrocarbures aromatiques Mononucléaire Le benzène toluène o-xylène isopropyl benzène Polynucléaire Naphtalène diphényl anthracène 24 25  Réaction de substitution électrophile aromatique SEAr - Substitution électrophile aromatique 26  Propriétés chimiques Reactions à nucleus Réactions de substitution Réactions d’addition Réactions d'oxydation Réactions lors d’une chaîne latérale Réactions de substitutions toluène chlorure de chlorure de phényltrichlorométhane Réactions d’addition benzyle benzylidène Réactions d'oxydation toluène acide 27 benzoique  Des substituants d'ordre I qui orientent la substitution en ortho et en para, par exemple: -Cl, -Br, -OH, -NH2 Des substituants d'ordre II qui orientent les substitution en méta, Par exemple : - NO2, -COOH, -CHO, -SO3H 28 Autres composés aromatiques Hidrocarbure s Formes allotropiques de carbone - le diamant - graphite (couches) - fullerène (fullerènes) - graphène (une "feuille" de graphite) + 29 dérivés