Atelier : Thème 2. Les systèmes vivants échangent de la matière et de l énergie. 16/17 mai 2011 Programme STL

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1 Atelier : Thème 2 Les systèmes vivants échangent de la matière et de l énergie

2 Les systèmes vivants échangent de la matière et de l énergie Première Echange de matière Terminale Echange d énergie

3 Thermodynamique chimique La thermodynamique introduit des fonctions d état définies pour le système U énergie interne H enthalpie F énergie libre G enthalpie libre et µ potentiel chimique défini comme l enthalpie libre molaire S entropie Bien employer le bon vocabulaire qui doit être le même en chimie et en biologie

4 Thème Les systèmes vivants assurent leurs activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées

5 Réaction chimique Soit une réaction chimique qui pourrait s écrire sous la forme A + B = C +D R G La thermochimie conduit à écrire - A l état initial R G = R G + RT LnQ où Q est le quotient réactionnel. L évolution du système se fait de telle façon que R G dξ 0 Ou encore avec l affinité (A=- R G ) A dξ 0 - à l équilibre R G + RT Ln K = 0 Soit encore K = exp(- R G /RT )

6 Distinction G et R G Faire attention aux niveaux de l écriture à bien distinguer G, variation de la fonction enthalpie libre et R G enthalpie libre de réaction qui est la dérivée en un point de la courbe G= f(ξ).

7 Une illustration expérimentale possible : l estérification ( les lipides sont des esters du glycérol) ACIDE ÉTHANOïQUE + ÉTHANOL = ÉTHANOATE D ÉTHYLE + EAU Réfrigérant à boules eau Espèces chimiques + pierre ponce Chauffe-ballon électrique

8 Estérification: détermination de Q et comparaison avec l équilibre On dispose du montage et des produits chimiques suivants Acide éthanoïque : M = 60,04 g.mol -1 ; d = 1,048. Éthanol : M = 46,070 g.mol -1 ; d = 0,79. Éthanoate d éthyle : M = 88,11 g.mol -1 ; d = 0,902. Acide sulfurique concentré (à environ 20%) Solution d hydroxyde de sodium (pour les dosages) de concentration : C b = 1,0 mol.l -1 Les élèves pourront discuter de la façon d atteindre l équilibre et proposer des mélanges de réactifs, puis réaliser la manipulation et enfin déterminer les quantités des réactifs à l équilibre.

9 Estérification: Q = K à l équilibre Les mélanges réalisés par les élèves permettent d illustrer l évolution du système vers l équilibre et donc la relation Q = K

10 Comparaison des états d équilibre à partir des proportions stoechiométriques A + B = C + D A + B = C + D EI EF 1 - ξ 1 - ξ ξ ξ K =ξ 2 / (1 ξ) 2 ξ max = 1 Rendement = ξ /ξ max

11 Etat final d un équilibre: caractère total ou limité Position de l équilibre K R G kj.mol -1 (298K) Nature de la transformation endergonique endergonique Exergonique Exergonique ξeq 9, , ,5 0,91 0,99

12 Déplacement de l état d équilibre Il est souvent utile en chimie d avoir la plus grande valeur possible de l avancement, ce qui correspond à un rendement maximal en produit. On peut agir - Sur la température rg est une fonction de T mais l influence dépend de la réaction chimique MAIS cela aura toujours un effet sur la vitesse des réactions - En éliminant un des produits au fur et à mesure, par exemple en utilisant un Dean Starck - En jouant sur les proportions Par exemple A + B = C + D avec K =1 n A = n B = 1 ξ = 0,5 mais si n B = 10 ξ = 0,91 mol si n B = 100 ξ = 0,99 mol

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14 Thermodynamique chimique Chimie Tableau de grandeurs standard notées R X - pour des constituants ayant tous une activité égale à 1 - pour une température choisie égale à 298K Biologie Tableau de grandeurs standard biologiques notées R X : cas particulier prenant en compte les conditions des réactions en biologie - pour des constituants ayant tous une activité égale à 1 sauf les protons qui au ph= 7 ont une activité a H+ = pour une température qui peut être 310K ( ou 298K)

15 Réactions non favorisées H 2 O = H 2 + ½ O 2 R G (298K)= 237kJ.mol -1 Réaction endergonique Couplage avec une source d énergie électrique : L Electrolyse de l eau Glucose + Pi = Glucose-6-P + H 2 O R G 1 (298K)= 14kJ.mol -1 Réaction endergonique Couplage chimique: ATP + H 2 O = ADP +Pi + H+ R G 2 (298K)= - 31kJ.mol -1 Réaction exergonique Glucose + ATP =Glucose-6-P + ADP R G 3 = R G 1 + R G 2 = -17kJ.mol -1 Transfert dans les conditions biologiques du groupe phosphoryl de l ATP au glucose

16 Le rôle de l ATP

17 Rôle central de l ATP Forme phosphorylée Forme déphosphorylée phosphoénolpyruvate pyruvate -62 1,3-bisphosphoglycérate 3-phosphoglycérate -55 phosphocréatine créatine -43 ATP ADP -30 ADP AMP -30 Glucose-6-phosphate glucose -14 Glucose-1-phosphate glucose -10 R G ( ph=7) kj.mol -1 Extrait p166 biochimie générale Dunod Jacques-Henri Weill

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19 Degré d oxydation