biophysique état de la matière Flashcards
def: corps pur
ensemble de molécules ou d’atomes identiques (molécule : plus petit échantillon d’un corps pur).
def corp simple
ensemble d’atomes identiques (ex : O atome oxygène, O2 gaz oxygène, O3 ozone)
def corps composé
ensemble de molécules identiques composées d’atomes de nature différente (ex : H2O ; NaCl) → différent des corps simples
c’est quoi une mole?
une mole (unité: mol) c’est une unité de quantité de matière équivalent à celle d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes de C dans 0,012kg (= 12g) de carbone 12. Unités = mol (mmol, μmol, …)
c’est quoi un système ?
Ensemble de constituants de masse déterminée et de volume défini.
La description de tout système, physique, chimique ou biologique, est liée à un paramètre essentiel, la température (+++), qui ponctue les différentes étapes de la transformation d’un solide en liquide puis en gaz.
les différents type de système et leurs caractéristiques
Système isolé : système qui est séparé du milieu extérieur par des parois imperméables et adiabatiques (= pas d’échange d’énergie) → pas d’échange de chaleur ni de matière avec le milieu extérieur.
Système fermé : masse et composition restent invariables dans le temps → échange d’énergie (travail ou chaleur) mais pas de matière avec l’extérieur.
Système ouvert : masse et composition sont variables dans le temps → échange d’énergie et de matière avec l’extérieur.
système adiabatique : masse et composition restent invariables dans le temps → échange d’énergie sous forme de travail mais pas de chaleur ni d’échange de matière avec l’extérieur.
les différents type d’énergie
Énergie mécanique de mouvement ou énergie cinétique
Énergie mécanique de position ou énergie potentielle
Énergie mécanique liée à l’agitation moléculaire ou énergie thermique
relation energie force
E=F.d et F=m.g
1 joule=
= 1 newton x 1 mètre = 1 coulomb x1 volt = kg.m2.s-2
1 eV=
correspond à l’énergie acquise
par un électron soumis à un potentiel électrique de 1 Volt
formule conservation de l’énergie , énergie cinétique, énergie potentiel et énergie cinétique moyenne
1Ep + Ec = constante
2Ec=1/2mv^2
3Ep=m.alpha.l=mgh
4 n(kt/2). sachant k=constante gaz parfait/ nombre Avogadro
agitation gaz monoatomique (He)
énergie de translation uniquement
agitation gaz diatomique (H2)
énergies de translation et de
rotation
agitation gaz pluriatomique (03)
énergies de translation, de
rotation et de vibration
def TD classique
explique le comportement des systèmes en fonction de grandeurs telles que T, énergie (travail et chaleur), entropie S (agitation moléculaire).
def TD statistique
explique l’origine des variables TD (T, P, Q, S, W) en les reliant à l’agitation moléculaire.
objectif TD
utilisée pour envisager tous les domaines où il est question d’échanges d’énergie ou de matière, sous quelque forme qu’ils soient.
def TD appliquée a la biologie
étude de la dynamique des échanges d’énergie associées à des phénomènes biochimiques
def chaleur
notion subjective de la température (toucher) → traduit un échange (transfert
d’énergie thermique)
def temperature
grandeur mesurable (thermomètre) → décrit un état (degrés d’agitation des particules)
formule énergie interne
∆U=Uf-Ui
U=∑Ec+∑Ep
def + formule première loi de TD
conservation de l’énergie
∆U=∆Q+∆W
deuxième loi de TD
définit le sens le plus probable des transformations spontanées.
Insuffisance du 1er principe :
S’il est toujours possible de transformer de l’énergie mécanique, électrique, chimique en chaleur, l’inverse n’est pas (n’est jamais) complètement possible” (de manière spontanée).
formule entropie
S=∆Q/T T en K^-1
troisième loi de TD
Pour T = 0 Kelvin à S = 0
Principe « zéro » : « si 2 systèmes sont en équilibre thermique avec un 3ème, ils sont en
équilibre thermique entre eux »
types d’interaction
Forces d’attraction
Forces de répulsion
Agitation thermique (mouvement Brownien)
def+types de liaison
-Liaison covalente ou atomique (liaison très forte à courte distance très difficile à rompre). Elle fige l’édifice moléculaire.
-Liaison ionique (liaison à grande distance, proportionnelle à 1/r), liaison électrostatique entre ions. Les + et les – s’attirent (elle se dissocie sous l’action d’un solvant polaire).
-Liaison métallique : forte, entre les atomes d’un métal. Les électrons de valence des métaux quittent l’atome et deviennent libres, formant une mer d’électrons. Création d’une attraction entre les cations (car perte d’un e-) métalliques et la « mer » d’électrons → la liaison métallique est une liaison chimique forte, résultant de l’action d’un fluide d’électrons délocalisés unissant des atomes ionisés positivement.
def+ formule force de Born ou Pauli + effet
Quand les molécules sont très près les unes des autres, apparition de forces de répulsion qui sont fonction de la distance : F=1/r^13
Effets :
● Empêcher le recouvrement orbital (l’agglomération) des molécules entre elles
● Sont négligeables au-delà d’une distance égale à environ 1,25 fois le diamètre
moléculaire
qu’est ce qui résulte des 2 forces (attraction et répulsion) : forces de liaison
Les forces attractives et répulsives s’équilibrent pour une distance donnée (rayon de Van der Waals). Il s’agit d’une position moyenne, car les molécules se déplacent en permanence. L’énergie potentielle du système est alors à son minimum.
def le mouvement brownien
Phénomène d’agitation “thermique”, désordonnée
formule énergie totale
ET = EL + ETRANS + EROT + EVIB
Et: E total
El: E liaison
les état physique fondamentaux
solide, liquide, gazeux
comment est l’état d’un solide (EL , Etrans …) et condensé ,compressible,…
EL»Etrans
C’est un état condensé (cohérent), ordonné (cristallin) ou désordonné (amorphe), ayant une forme propre ; pas de mouvement brownien, incompressible, volume défini.
comment est l’état d’un liquide (EL , Etrans …) et condensé ,compressible,…
Etrans=EL
C’est un état condensé (cohérent) avec un certain ordre à courte distance, mais désordonné (à grande distance), sans forme propre (fluide), il y a des mouvements browniens.
comment est l’état d’un liquide (EL , Etrans …) et condensé ,compressible,…
Etrans»EL
C’est un état non condensé (non cohérent ou dispersé), totalement désordonné, sans forme
propre (fluide), compressible, il y a des mouvements browniens.
les catégorie de dipôles
permanent :eau
induit
instantané
def liaison hydrogène
formation d’une liaison électrostatique entre hydrogène et un autre atome, plus forte que celle des autres interactions dipôle - dipôle
quel est la valeur dipolaire de l’eau
1,84.10^-30 C.m
def dipôle induit
Molécules qui en l’absence d’action extérieure ne présentent pas de structure dipolaire. Répartition des charges + et – aléatoire.
def dipole permanent
La structure dipolaire de la molécule peut être naturelle, comme la molécule d’eau. En l’absence d’influence extérieure, il y a inégalité de répartition des charges.
comment apparait un dipôle induit
Cette structure apparaît sous l’effet d’un champ électrique (autre molécule polaire ou ion).
caractéristique solide
Structure ordonnée : solide cristallisé
Réseau cristallin : maillage, empilement périodique d’atomes
Cristallographie : étude de la formation, de la structure et des propriétés des cristaux
def gaz parfait
Modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz réels à basse pression P.
c’est quoi un gaz parfait
Tout gaz vérifiant simultanément les lois de Boyle-Mariotte et d’Avogadro est un gaz parfait
combien d’eau compose le corps humain
65% du corps soit 45L pour un homme de 70Kg dont 30% en tissu adipeux
quel est la répartition de l’eau dans le corps
30% en tissu adipeux
Eau intracellulaire : environ 40 % du poids corporel, soit environ 30 L pour un adulte
de 70 kg
Eau extracellulaire : environ 20 % du poids corporel
3/4 en eau interstitielle = 16 % (12 L) 15%
1/4 en eau plasmatique = 4,5 % (3 L) 5%
quelle est la structure spatiale de la molécule d’eau
Six électrons sur la couche électronique périphérique de l’atome d’oxygène. Deux sont impliqués dans les liaisons covalentes avec les deux atomes d’hydrogène. L’angle formé par les liaisons O-H est de 104°28’ et la distance O-H est de 0.958 Å.
Les 4 autres, appariés 2 à 2, créent des doublets libres donnant un caractère électronégatif à l’oxygène.
Les orbitales des 2 doublets sont orientées dans un plan perpendiculaire à celui des atomes H-O-H et forment entre elles un angle de 120° (diffraction des rayons X, spectrométrie infra- rouge)
Remarque : Les doublets non-liants sont dans un plan perpendiculaire au plan de H20
quelles sont les caractéristiques de l’eau
L’eau est un dipôle électrique de moment très élevé.
Les doublets électroniques des deux liaisons O-H sont beaucoup plus attirés par l’oxygène que par les atomes d’hydrogènes.
Les deux dipôles ainsi créés se composent en un dipôle permanent résultant.
Les molécules d’eau forment entre elles des liaisons hydrogène.
A l’état liquide, structure pseudo-cristalline
A l’état solide, structure cristalline
quelles sont les formes cristallines de l’eau et leur caractéristiques
Selon les conditions de P et T, la glace possède plusieurs formes cristallines.
● A pression atmosphérique, la glace de type I est de structure hexagonale (1
atome d’oxygène par sommet)
● Les liaisons O-H forment un angle de 109° et ont une longueur de 0,97 à 1,01 Å.
Vglace>Veau
caractéristique de l’eau entre 0 et 4°c
l’élévation de la température rompt environ 40 % des liaisons hydrogène du cristal de glace → les molécules vont pouvoir s’intriquer.
o Les molécules non liées occupent moins de place en s’insérant à l’intérieur des hexagones, entraînant une augmentation de la masse volumique
caractéristique de l’eau à 4°c et +
l’agitation thermique éloigne davantage les molécules les unes des autres (densité décroît).
L’eau liquide garde une structure pseudo-cristalline.
forme densité
d=rhocorps/rhoeau
comment faire pour que l’eau se vaporise
ne grande quantité d’énergie est nécessaire pour désorganiser partiellement la structure cristalline de la glace et pour rompre totalement les liaisons hydrogène, permettant le passage à l’état gazeux
def chaleur massique
énergie nécessaire pour augmenter la température : 1 cal.K-1.g-1 entre 15°et 16°C
role de l’eau chez l’homme
l’eau a un effet amortisseur thermique. Un apport de 45 kcal élève la température corporelle au maximum de 1°K.
Ce rôle d’amortisseur est dû à la C importante de l’eau et permet d’éviter des variations de température importantes dans le corps humain.
formule de l’amortisseur thermique
∆téta(°k)=Q/(m.C)
def et but conductivité calorifique
débit calorifique (soit une quantité de chaleur par unité de temps) qui s’écoule entre deux points d’un conducteur de 1m2 de section, distants l’un de l’autre de 1m et dont la différence de températures est de 1 degré.
La conductivité calorifique (λ) de l’eau relativement élevée (par rapport aux autres composés que comporte le corps humain) permet d’éviter, par accumulation de chaleur, les hyperthermies locales.
vrai ou faux
Plus la valeur de la conductivité thermique est faible, plus le matériau est conducteur. Plus elle est élevée, plus il est isolant.
faux
Plus la valeur de la conductivité thermique est faible, plus le matériau est isolant. Plus elle est élevée, plus il est conducteur. L’eau est un conducteur.
poisseuille équivalent
1 Poiseuille (PI) = 1 kg.m-1.s-1 = 1 Pa.s
loi de coulomb plus formule
deux charges de même valeur absolue (Q = Q’) mais de signes opposés, placées dans le vide à une distance r l’une de l’autre, exercent, l’une sur l’autre, une
force telle que : F0=[1/(4πE0)].[(Q.Q’)/r^2]
Si les mêmes charges sont placées dans un milieu quelconque de permittivité ε (ε > ε0), la force est : F=[1/(4πE0)].[(Q.Q’)/r^2]
formule constante diélectrique d’un milieu εr = ε / ε0
F0=[1/(4πE0.Er)].[(Q.Q’)/r^2]
pourquoi l’eau est un polaire dit comme un solvant anormales
Ces propriétés sont la conséquence de la structure polaire de l’eau.
