Pression osmotique. L osmose aide les cellules à maintenir leurs formes.

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Thibault Métivier
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1 Pression osmotique L osmose aide les cellules à maintenir leurs formes. dans les reins, les produits métaboliques et autres impuretés contenus dans le sang sont éliminés par osmose à travers une membrane semi-perméable vers l urine la pression osmotique est le mécanisme responsable de la montée de l eau dans les plantes.

2 La Thermodynamique des Équilibres Électrochimiques Solution = Soluté + Solvant (mélange homogène, une seule phase, liquide) Solution électrolytique: - soluté est présent sous forme d ions - interactions entre les ions sont généralement fortes et de longue portée - ex: sels, acides et bases dans l eau Solution non-électrolytique: - soluté est présent sous forme des molécules neutres - petites molécules organiques : ex: glucose dans l eau, oxygène dans l eau, CH 3 CH 2 OH dans CH 3 COCH 3

3 But du chapitre Première partie: comprendre comment le potentiel chimique des espèces présentes dans une solution électrolytique varie en fonction de sa composition En pratique, le but sera de déterminer l activité chimique d une solution électrolytique À quoi ca sert? Comprendre le procès de migration des ions à travers des membranes biologiques: e.g.: la propagation des signaux électriques dans les neurones Deuxième partie (après l examen intra): l étude de la thermodynamique des réactions avec transfert d électrons (réactions redox) En pratique le but sera de déterminer la variation d énergie libre dans une réaction avec transfert d électrons À quoi ca sert? Comprendre les transformations biochimiques impliquées dans le processus de respiration cellulaire et de photosynthèse

4 L activité des solutions électrolytiques. La loi de Debye- Hückel Considérons une solution qui contient des cations M q+ et des anions X p- provenant du processus de dissolution du sel MpXq dans l eau. µ q+ = µ o q+ +RTlnγ M M Mq+ +RTln( b Mq+ /b ) µ X =µ o ( ) p- X +RTlnγ p- X +RTln b p- X /b p- 2 lnγ =- q A M q+ 2 lnγ X =- p A p- Le facteur A dépend seulement du solvant et des conditions de température et pression. Si le solvant est l eau, T=298 K, p=1 atm, A = 1,174 (erreur dans les notes de cours!!) tous les ions 2 b = 1 z i 2 i b i=1 Z i et b i sont la charge et la molalité de l espèce ionique «i».,

5 Exemple: Calculer la force ionique de l eau de mer et de l eau de source L ion Eau de mer Eau de source Na Mg Ca K Cl SO HCO mer = ( 1 0,49+2 0, ,01+1 0,01+1 0,57+2 0, ,002) = 0, , 0015 eau source =

6 La loi de Debye-Hückel étendue Les prédictions faites en utilisant la loi de Debye-Hückel sont en excellent accord avec la réalité si la force ionique de la solution est plus petite que 0,001. De très bonnes résultats peuvent être obtenues mêmes pour des solutions ayant <0,005. Pour des solutions plus concentrées on utilise des modifications empiriques de la loi de Debye-Hückel comme la loi de Debye-Hückel étendue: lnγ =-q 2 M q+ A 1+B a ο lnγ 2 X =-p p- A 1+B a ο +C +C où å est approximativement le rayon de l ion hydraté (en Angströms) B est une constante du solvant. B=0,33 Å -1 pour l eau dans des conditions standard C est une constante empirique qui dépend du système étudié.

7 Exemple En utilisant C=-0.2 dans l équation de Debye-Hückel étendue, c est-àdire, en utilisant l équation: 2 2 lnγ q+ =-q A ο 0,2 lnγ X p- =-p A M ο 0,2 1+0,33 a 1+0,33 a ainsi que les données des tableaux des exercices 3 et 4, page 44 des notes de cours, trouvez les pourcentages d ions actifs dans l eau de source ainsi que dans l eau de mer. 0,0015 Eau de source: lnγ = γ Cl Cl 1 1,174 0,2 0,0015 =-0,0434 = 0,957 Cl 1+0,33 3 0,0015 0,72 1 1,174 0,2 0,72 =-0,3698 = 0, 69. Cl 1+0,33 3 0, Eau de mer: lnγ = γ En conclusion, 96% des ions chlorure seront actifs dans l eau de source. Par contre, seulement 69% des ions chlorure présents dans l eau de mer seront actifs.

8 Notion de coefficient d activité moyen Pour des raisons pratiques (comparaisons avec les résultats expérimentales), il est avantageux de définir le potentiel chimique moyen µ ± de la solution formée par la dissolution du sel MpXq dans l eau: µ = ± µ + µ p M q+ q X p- p+q 1 o o 1 o = ( pµ p- ) ( p- M ) q+ + qµ X + RT plnγm q+ + q lnγ p+q p+q X + RT ln b / b MX(aq) p q µ o ± Cette équation définit le coefficient d activité moyen, γ±. Le logarithme du coefficient d activité moyen se calcule dans la théorie de Debye-Hückel en utilisant la formule: ln γ ( plnγ q+ + q lnγ p- ) = ( ) 1 p+q lnγ ± = M X - p q +q p A =-pq A p+q ±

9 Le comportement des solutions électrolytiques en présence d une membrane semi-perméable Considérons une cellule qui ne contient que de l eau, des ions de potassium, et des macro-anions A -. Supposons maintenant que la cellule est séparée du milieu extérieur (qui contient de l eau mais pas d autres espèces chimiques) par une membrane semi-perméable. Cette membrane permet le passage des petits molécules (eau, K + ), mais pas de gros ions de A -. Qu est-ce qui va se passer? Premièrement l eau va entrer dans la cellule (pourquoi?). D autre part, une partie des ions de K + vont quitter la cellule (quelle est la force motrice de ce comportement?) Combien d ions de K + vont quitter la cellule? E Φ in Φ ext Si on sépare une solution contenant les ions K + et A - de l eau par l intermède d une membrane qui permet le passage sélectif de K + mais pas de A -, les deux côtés de la membrane vont se charger électriquement. Ces charges forment un champ électrique E à travers la membrane et génèrent des potentiels électriques différents, et des deux côtés de la membrane. La différence de potentiel à travers la membrane est le champ électrique sont liés par la relation : où d est l épaisseur de la membrane.

Dans le cas présent le potentiel chimique va dépendre non seulement des facteurs physiques (T,p) et de la composition chimique, mais aussi de la valeur du potentiel électrique = T,p; x,x ; Φ µ µ + +

10 Dans le cas présent le potentiel chimique va dépendre non seulement des facteurs physiques (T,p) et de la composition chimique, mais aussi de la valeur du potentiel électrique = T,p; x,x ; Φ µ µ K ;in K ;in K µ = µ ( A- in ) ( T,p; x ; Φex ) K ; ex K ; ex K La variation du potentiel chimique d une espèce chargée avec le potentiel électrique est donnée par la relation: µ (Φ) =µ (Φ=0) + q F Φ M q+ q+ M µ =µ µ +RTln a =µ +RTlna o o K in K ext K in in (K ) +FΦ K ex (K ) + + ; ; ; in ; ex ex µ+zfφ o o in + RT ln a in = µ +z F Φex + RT ln aex a RT ln in = F ( Φ Φ in ex ) = F Φ aex Φ =- RT F ln a a in ex + (K ) + (K ). E +FΦ Φ in Φ ext

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