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Chimie générale

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La biochimie a pour objet l'étude des constituants de la matière vivante et de leur réactions chimiques. La nutrition est l'ensemble des fonctions qui apportent à l'organisme les éléments nécessaires à la vie sous toutes ses formes : croissance, maintien en bon état de santé et activités.
À l'état naturel, il existe 92 éléments classés par ordre de masse, mais seuls 15 éléments sont présents dans tous les êtres vivants et plus de 99 % des atomes correspondent à 4 éléments seulement : l'oxygène , le carbone , l'hydrogène et l'azote.

Certains constituants ne sont présents qu'en très faibles quantités . Cependant ils ne sont pas moins importants que les constituants fondamentaux car leurs carences bloquent des réactions chimiques primordiales . Le tableau de la composition élémentaire du corps humain offre en effet un survol de toutes les grandes fonctions vitales.
Du point de vue nutritionnel, seul l' oxygène est directement assimilé au niveau des poumons ; les autres éléments sont absorbés à l'état de combinaisons .

Composition élémentaire du corps humain (32)

1 L'atome d'hydrogène (Figure 25)

De la fin du XIXème siècle à nos jours, de nombreuses expériences physiques ont démontré que la matière est constituée de particules élémentaires, dont : les protons, de masse 1,67.10-24 grammes, porteurs de charges conventionnellement positives, les neutrons , de masse 1,67.10-24 grammes, , non porteurs de charges électriques, les électrons, de masse 1836 fois plus petite que celle des protons, et porteurs de charges conventionnellement négatives .


L' atome est, pour chaque corps simple, la plus petite quantité de l'élément que l'on trouve à l'état stable.


L'atome naturel le plus simple est celui de l'hydrogène, qui comporte 1 proton et 1 électron, donc une charge + et une charge -, quand il est stable et non excité. Il serait illusoire de considérer que l'électron tourne autour du noyau, le proton, en suivant une trajectoire circulaire. En réalité la trajectoire comporte des zig-zag, voire des ruptures . Il est impossible de la dessiner correctement. C'est pourquoi on préfère en donner une représentation symbolique, qui est en quelque sorte sa « carte d'identité » . La quasi totalité de matière est concentrée dans l'unique proton qui lui confère une masse atomique conventionnellement égale à 1 unité . Le N° de classement se réfère au tableau de classification périodique des éléments .


À titre d'exemple, on trouve dans cette classification en position N° 6, l'atome de carbone C, de masse atomique 12,01 et possédant 6 électrons, 6 protons et 6 neutrons.
Plus on s'éloigne du noyau, moins les forces d'attraction entre protons et électrons se font sentir. Dans le cas de l'hydrogène, l'atome H de la figure 25 existe très peu à l'état naturel . L'unique électron s'échappe soit pour se combiner avec un autre atome d'hydrogène et former une molécule H2, soit pour former des ions (Figure 26) .

2 Ionisation des atomes

Figure 26 a)-Electrons dans la molécule d'hydrogène

La figure  introduit la notion de doublet d'électrons qui est la seule forme stable des électrons et constitue le « ciment » de la liaison atomique dite « covalente » .


Partie gauche de la figure : 2 atomes H possédant chacun 1 électron . « L'électron ne décrit pas une trajectoire définie, mais plutôt un parcours quelque peu imprécis de sorte qu'il est quelquefois très près du noyau et quelque fois assez loin … En fait , dans son mouvement rapide, il parcourt tout l'espace compris dans une sphère d'environ 1 Angström (10-10 mètre) de rayon autour du noyau. » (33)


Partie droite de la figure : les mêmes atomes d'hydrogène associés pour former une molécule H2. « Les deux noyaux sont maintenus solidement ...Ils oscillent. Les deux électrons sont en mouvement très rapide dans la région entourant les deux noyaux. Leur mouvement est toutefois concentré dans la petite zone située entre les deux noyaux. On peut considérer ce système comme analogue à celui de deux billes d'acier (les noyaux) enrobées dans un morceau de caoutchouc (les électrons) qui les entoure et en assure la liaison. Les électrons peuvent être considérés en mouvement rapide, comme dans l'atome d'hydrogène H mais leurs orbites, dans la molécule H2, englobent les 2 noyaux. Ce sont les deux électrons retenus conjointement par les deux noyaux, qui constituent la liaison chimique entre les deux atomes de la molécule d'hydrogène. »  (33)


Cette liaison chimique (bas de la figure) s'accompagne d'une libération d'énergie caractèristique de la stabilité de la molécule.


Les mécanismes décrits au sujet de l'atome d'hydrogène concerne tous les atomes . En résumé la mobilité des électrons détermine deux types de liaisons :

-liaison ionique par transfert d'électrons en surnombre dans un atome vers des atomes déficitaires.

-liaison covalente par rapprochement de protons, plus stable que la liaison ionique.

3 Liaisons ionique et covalente

La figure 26 a) introduit la notion de doublet d'électrons qui est la seule forme stable des électrons et constitue le « ciment » de la liaison atomique dite « covalente » .


Partie gauche de la figure : 2 atomes H possédant chacun 1 électron . « L'électron ne décrit pas une trajectoire définie, mais plutôt un parcours quelque peu imprécis de sorte qu'il est quelquefois très près du noyau et quelque fois assez loin … En fait , dans son mouvement rapide, il parcourt tout l'espace compris dans une sphère d'environ 1 Angström (10-10 mètre) de rayon autour du noyau. » (33)


Partie droite de la figure : les mêmes atomes d'hydrogène associés pour former une molécule H2. « Les deux noyaux sont maintenus solidement ...Ils oscillent. Les deux électrons sont en mouvement très rapide dans la région entourant les deux noyaux. Leur mouvement est toutefois concentré dans la petite zone située entre les deux noyaux. On peut considérer ce système comme analogue à celui de deux billes d'acier (les noyaux) enrobées dans un morceau de caoutchouc (les électrons) qui les entoure et en assure la liaison. Les électrons peuvent être considérés en mouvement rapide, comme dans l'atome d'hydrogène H mais leurs orbites, dans la molécule H2, englobent les 2 noyaux. Ce sont les deux électrons retenus conjointement par les deux noyaux, qui constituent la liaison chimique entre les deux atomes de la molécule d'hydrogène. »  (33)


Cette liaison chimique (bas de la figure) s'accompagne d'une libération d'énergie caractèristique de la stabilité de la molécule.
Les mécanismes décrits au sujet de l'atome d'hydrogène concerne tous les atomes . En résumé la mobilité des électrons détermine deux types de liaisons : -liaison ionique par transfert d'électrons en surnombre dans un atome vers des atomes déficitaires.


Exemples:
Figure 26 b) : cristallisation du sel marin, le chlorure de sodium ClNa à partir d'une solution renfermant des ions sodium Na+ et des ions chlore Cl- .
Le chlore fournit un électron au sodium pour constituer une liaison stable.

Figure 26 b) : dilution d'un acide concentré ClH dans l'eau H2O
La liaison ionique de l'acide chlorhydrique HCl se rompt pour former le cation H+ et l'anion Cl- caractéristiques d'une solution acide.
Le même type de réaction se produit avec une base comme la soude NaOH qui se dissout en libérant le cation Na+ et l'anion OH- .
Cations et anions constituent des couples acide/base.

Figure 26 c): l'eau, qui est le solvant le plus répandu dans la nature, obéit à ce mécanisme lorsque de la glace fond. Les cristaux solides de la glace, sous l'effet du réchauffement ambiant (apport d'énergie), donnent naissance à un cation et un anion en solution liquide.

Les signes + et – attribués respectivement aux cations et aux anions sont conventionnels, mais ils sont universellement adpotés. En fait l'électron est une particule douée d'une masse et porteuse d'une charge électrique dont on peut mesurer le potentiel exprimé dans une unité, l'électronvolt. L'association masse-potentiel électrique a pour symbole « e- » .
Le symbole e- est utilisé pour décrire les réactions d'oxydo-réduction qui sont des transferts d'électrons envisagés du point de vue de leur potentiel électrique.

Figure 26 d): oxydation du fer métallique Fe en présence d'air humide pour former la rouille, oxyde de fer Fe2O3 . L'atome de fer Fe perd 3 électrons  pour devenir un ion ferrique  Fe+++ . L'oxygène O accepte 2 élecrons : O 2 . 

En résumé l'oxydation est une perte d'électrons par un atome ou un groupe d'atomes, la réduction est un gain d'électrons par un atome ou un groupe d'atomes.

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Le modèle de la molécule d'hydrogène (Figure 26 ) fait apparaître  des doublets d'électrons. La structure se complique quand les atomes ont plusieurs protons entourés d'un nuage d'électrons. Des électrons, célibataires ou associés en doublets , peuvent au même instant se trouver à la même distance du noyau. C'est un problème de probabilités qui aboutit à la notion de répartition des électrons autour du noyau sous forme de couches correspondant chacune à des niveaux d'énergie cinétique des électrons.
On calcule que la couche probablement la plus éloignée du noyau, dite « externe », est saturée lorsqu'elle comporte 4 doublets d'électrons, soit 8 électrons. Elle peut en contenir moins, mais la probabilité qu'elle en contienne davantage est extrêmement faible au point d'être considérée comme nulle.

La figure 27 présente les états les plus probables de la couche externe pour les constituants fondamentaux des organismes vivants. Ceci est à la base de la liaison covalente, la plus stable, la plus répandue en chimie organique .

Partie supérieure de la figure : les électrons, célibataires ou doublets, sont représentés par des points . Partie inférieure : les points sont remplacés par des traits qui représentent les liaisons covalentes possibles entre les atomes . Ceci permet de prévoir les formules de groupements fonctionnels, « les radicaux ».

Figure 27-Structure de la couche périphérique d'atomes

De gauche à droite:

L'hydrogène H a un électron disponible . On dit que sa valence est égale à 1. Cet unique électron peut s'échapper pour former un doublet avec un électron célibataire d'un autre atome. Le noyau hydrogène devient alors positif et subit une attraction électrostatique de proximité avec des atomes électronégatifs . C'est le principe de la liaison hydrogène.

Le carbone C   possède 4 électrons célibataires . Il est saturé avec 4 atomes d'hydrogène pour former le méthane CH4 . Il constitue des chaînes carbonées plus ou moins longues , plus ou moins saturées, plus ou moins substituées, de formule générale -CH2-CH2....CH2- . Il a une grande affinité pour l'oxygène. Le produit ultime de la combustion est le gaz carbonique CO2 , mais l'anion -COO- ouvre la voie à de nombreux composés biochimiques .

L'azote N est situé entre l'oxygène et l'hydrogène dans l'échelle d'électronégativité . Il forme avec l'oxygène des composés très stables comme NO, NO2 ,etc.., ainsi que l'anion NO3 - , et avec l'hydrogène le gaz annoniac NH3 , très réactif, le cation NH4 + , et les amines -NH, -NH2 , etc.

L' oxygène O a une valence égale à -2, symbole O- -. Il peut accepter 1 électron provenant de l'hydrogène pour former le radical OH-, ou 2 électrons pour former l' eau H2O . Celle-ci est à son tour ionisée , pouvant établir des liaisons hydrogène O- -+H-O-H .

Le phosphore P a un rôle fondamental en biologie cellulaire dans les transferts d'énergie.


Ces quelques exemples donnent un aperçu de réactions chimiques que l'on retrouvera dans les chapitres suivants.