La chimie du vivant

BioOrga - Jean-Michel Daoudi
Jean-Michel Daoudi

Jean-Michel Daoudi

jeudi, 28 juin 2018 11:04

Extraction par solvant

Le principe de l’extraction par solvant est d'extraire une substance présente dans une matrice en la faisant passer dans un solvant.

On peut dire que cette méthode est connue depuis la nuit des temps, puisque les premiers exemples en sont la macération, l'infusion, la décoction et la percolation. Au laboratoire, on utilise aussi des méthodes plus efficaces comme celles faisant appel a un extracteur Soxhlet et de Kumagawa ; qui est une sorte de Soxlet d’un seul tenant ; qui fonctionnent par enchainement en continu de cycle d’extraction.

Macération

La macération consiste à laisser séjourner une matrice dans un solvant pour en extraire les analytes solubles dans ce solvant. Elle peut se faire dans de l’alcool, de l'eau, une saumure, de l'huile, du CO2 supercritique, etc.

Par métonymie, on appelle également macération le liquide qui en résulte.

Infusion

L’infusion est proche de la macération. Elle en diffère par le fait que le solvant soit initialement bouillant puis qu’on le laisse refroidir. Elle ne peut être utilisée qu’avec des analytespeu thermosensibles. On en distingue deux types :

l'infusion simple où l’on chauffe le solvant que l'on incorpore ensuite à la matrice.

l'infusion par palier où l’on chauffe la matrice avecle solvant en y incorporant à intervalle régulier du solvant très chaud

Par métonymie, on appelle également infusion le liquide qui en résulte.

Décoction

La décoction est une méthode d'extraction par dissolution dans un solvant bouillant. Elle ne peut être utilisée qu’avec des analytes thermorésistants. On chauffe la matrice avec le solvant jusqu'au début de sont ébullition, son frémissement.On maintient ensuite la température pendant une durée dépendant de l’extrait à effectuer.

L’extraction des analytes par décoction est généralement plus complète que par infusion, mais la température pouvant influer sur les principes extraits elle est à utiliser après vérification du comportement thermique des analytes.

Par métonymie, on appelle également décoction le liquide qui en résulte.

Percolation

La percolation désigne la traversée lente d’un milieu par un fluide.

La percolation se fait majoritairement sous l’effet de la pesanteur, donc de haut en bas, mais peu être accélérée par une augmentation de la pression se qui permet aussi un changement de direction.

Pour qu’il y ait percolation, la matrice doit être poreuse est comporter des « chemins » que le solvant d’extraction pourra emprunter pour la traverser. Hélas, c’est même « chemins » peuvent conduire à l’apparition de « chemins privilégiés » pour où le solvant d’extraction passera quasi-exclusivement. Le rendement de l’extraction en sera fortement diminué.

Soxhlet

Un extracteur de Soxhlet est une pièce de verrerie qui permet de faire une extraction par solvant en cycles successifs.

Schéma de Soxhlet

Il se compose d'un corps en verre (4) dans lequel est placée une cartouche en papier-filtre épais (5), d'un tube siphon (6-7) et d'un tube d'adduction (3). Dans le montage, l'extracteur est placé sur un ballon (2) contenant le solvant d'extraction (1). Enfin, un réfrigérant (9-10-11) est adapté au-dessus de l'extracteur.

La matière à extraire est placée dans une cartouche placée dans l'extracteur. Quand le solvant est chauffé, ses vapeurs passent par le tube adducteur pour se liquéfier dans le réfrigérant et retomber dans l’extracteur. Le solide va donc infuser dans le solvant. Le solvant s'accumule dans l'extracteur jusqu'à atteindre le sommet du tube-siphon. Il y a alors retour du liquide contenant l’analyte dans le ballon. Le solvant continue de s'évaporer, alors que les substances extraites restent dans le ballon. On appelle cycle, le temps entre deux siphonages. Le processus est poursuivi jusqu'à épuisement complètement de la matrice pendant plusieurs cycles ce qui permet l’enrichissement progressif en composés solubles du solvant dans le ballon.

Une fois mis en route, le montage n'a pas besoin d'être manipulé. On obtient donc un net gain de temps de manipulation. De plus, cette méthode requiert nettement moins de solvant que la méthode des macérations successives pour une même efficacité d'extraction. Elle permet donc une économie de solvant. Enfin, le solvant étant constamment distillé, c'est toujours du solvant pur qui retombe de l'évaporateur et donc il ne se sature jamais en analyte.

Par contre, l’extraction avec un Soxhlet présente quelques inconvénients. Les principaux sont que :

  • La quantité de produit à purifié est limité par la taille de la cartouche se qui limite cette méthode à de petits échantillons.
  • L'extraction à chaud peut dégrader certaines substances
jeudi, 28 juin 2018 08:40

Méthodes traditionnelles

Les principales méthodes traditionnelles de préparation des échantillons sont :

  • L’extraction par solvant
  • L’adsorption
  • La précipitation
  • La distillation fractionnée
  • La cristallisation fractionnée
  • La chromatographie
Hélas, ces méthodes sont chères en temps et en produit. Elles ont donc été améliorées et de nouvelles ont été introduites.

lundi, 26 mars 2018 18:26

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jeudi, 25 janvier 2018 09:02

Les erreurs de mesure

Approximation sur la mesure

Lorsque l'on mesure une grandeur physique G, la valeur numérique g obtenu est directement lié à la précision de la mesure. Par exemple, une masse sera déterminée avec d'autant plus de précision que la balance utilisée sera précise. Une égalité physique ne traduit donc pas une connaissance « parfaite » de la valeur mesurée, mais une connaissance « aux erreurs d'expérience près ».

Par exemple, mesurer une longueur à l'aide d'un décimètre ne permettra de connaître sa valeur qu'au millimètre près. En effet, la plupart des décimètres sont gradués en millimètre.

Les différents types d'erreurs de mesure

Il existe deux types de catégories d'erreurs de mesure :

Les erreurs accidentelles
Ces erreurs sont sont aléatoires et imprévisibles
Les erreurs systématiques
Ces erreurs se produisent toujours dans le même sens. Elles ont diverses aux origines :
  • L’expérimentateur
  • La méthode de mesure
  • L’appareil de mesure
  • L’expérimentateur

L'expérimentateur

Par exemple, la mesure du temps à l'aide d'un chronomètre manuel introduit une erreur systématique due au manque de réflexe de l'expérimentateur.

La méthode de mesure

Effectuer une mesure de précision sans tenir compte de la poussée d'Archimède est une méthode mal adaptée entraînant une erreur systématique.

Plus simplement, effectuer une pesée sans tarer préalablement le récipient contenant l'élément posé induira systématiquement une erreur égale à la masse de ce récipient.

L'appareil de mesure

Un appareil de mesure doit posséder trois qualités :

Fidélité
une série de mesures effectuées au fil du temps doit conduire au même résultat.
Sensibilité
l'appareil établi une correspondance entre la lecture et la valeur de la grandeur mesurée ; la sensibilité est définie par la variation de la lecture sur la variation de la grandeur et elle doit être très grande.
Justesse
la relation entre la valeur lue et la grandeur mesurée doit être totalement exacte.
Par exemple une balance un fléau n'est pas juste si elle est utilisée en pesée simple, car l'équilibre indique simplement l'égalité des moments et non celle des masses. En effet, les bras ne peuvent être rigoureusement égaux.

Chaque fois que l'on rencontre une erreur systématique, on essaye de la supprimer. Par exemple, dans le cas du chronomètre l'être humain pourra être remplacé par un faisceau laser qui va être coupé par le mobile en déplacement. Ou encore en une méthode à double pesée à tare constante supprimera les défauts de méthode de peser et le défaut de justesse de la balance même si les bras sont inégaux. Malheureusement, certaines erreurs systématiques restent très difficiles à détecter …

jeudi, 11 janvier 2018 19:26

Multiples d'unité

NombrePréfixeSymboleExemplenombre decimalFrançaisAnglais
1024YottaYYm (yottamètre)1 000 000 000 000 000 000 000 000Quadrillionheptillion
1021ZettaZZm (zettamètre)1 000 000 000 000 000 000 000Trilliardhexillion
1018ExaEEm (examètre)1 000 000 000 000 000 000trillionquinquillion
1015PétaPPm (pétamètre)1 000 000 000 000 000billiardquadrillion
1012téraTTm (téramètre)1 000 000 000 000billiontrillion
109GigaGGm (gigamètre)1 000 000 000milliardbillion
106MégaMMm (mégamètre)1 000 000millionmillion
103Kilokkm (kilomètre)1 000millethousand
102Hectohhm (hectomètre)100centhundred
101Decadakm (décamètre)10centten
100 m (mètre)1unone
10-1Déciddm (décimètre)0,1dixièmetenth
10-2Centiccm (centimètre)0,01centièmehundredth
10-3Millihmm (millimètre)0,001millièmethousandth
10-6Microµµm (micromètre)0,000 001millionièmemillionth
10-9Nanonnm (nanomètre)0,000 000 001milliardièmebillionth
10-12Picoppm (picomètre)0,000 000 000 001billionièmetrillionth
10-15femtoffm (femtomètre)0,000 000 000 000 001billiardièmequadrillionth
10-18Attoaam (attomètre)0,000 000 000 000 000 001trillionièmequinquillionth
10-21Zeptozzm (zeptomètre)0,000 000 000 000 000 000 001trilliardièmehexillionth
10-24yoctoyym (zeptomètre)0,000 000 000 000 000 000 000 001duadrillionièmehepthillionth
jeudi, 11 janvier 2018 14:13

Mesures physiques

La mesure physique est l'estimation ou la détermination d'une dimension spécifique (longueur, capacité, etc.), habituellement en relation avec un étalon ou une unité de mesure. Le résultat de la mesure physique s'exprime en termes de multiple de l'étalon. Exemple : la mesure de distances (kilomètres, miles, lieues) ou la mesure du temps (secondes, heures).

Une grandeur est mesurable lorsqu'on peut définir l'égalité et le rapport (ou la somme) de deux grandeurs de son espèce.

Le nombre qui mesure une grandeur et le rapport de cette grandeur à la grandeur de même espèce choisie pour unité.

Le processus de mesure physique implique l'estimation du rapport de la grandeur d'une quantité à celle d'une unité de même type. Une mesure physique est le résultat d'un tel processus, exprimé comme le produit d'un nombre réel et d'une unité, dans lequel le réel est le rapport estimé. À la différence d'un compte, c'est-à-dire une quantité entière d'objets connue de manière exacte, chaque mesure physique est en réalité une estimation et possède donc une certaine incertitude.

Généralités

Avant que les unités du système international soient adoptées dans le monde entier, il existait de nombreux systèmes, plus ou moins pratiques et plus ou moins généralisés en termes d'aires d'expansions, d'utilisations professionnelles ou autres.

Le système international d'unités (abrégé en SI) est la forme moderne et révisée du système métrique.

C'est la Conférence générale des poids et mesures, rassemblant des délégués des États membres de la Convention du Mètre, qui décide de son évolution, tous les quatre ans, à Paris. L'abréviation de « Système International » est SI, quelle que soit la langue utilisée.

La norme internationale ISO 1000 (ICS 01 060) décrit les unités du Système international et les recommandations pour l'emploi de leurs multiples et de certaines autres unités.

Le SI a été développé dans les années 1960 à partir du système MKS (mètre-kilogramme-seconde) préférentiellement au système CGS (centimètre-gramme-seconde), qui possède de multiples variantes. Le SI introduit dès ses débuts de nombreuses et nouvelles unités ne faisant pas partie initialement du système métrique.

Il y a deux types d'unités SI, les unités de base et les unités secondaires. Les unités de base sont les mesures correspondant au temps, à la longueur, à la masse, à la température, à la quantité (d'objets), au courant électrique, et l'intensité lumineuse. Les unités secondaires sont construites sur les unités de base; comme par exemple la densité qui s'exprime en kg/m3.

Exemple : la longueur est une grandeur mesurable ; disposant de deux fils, nous savons définir leur égalité, si, tendus rectilignement, ils possèdent les mêmes extrémités.

Nous savons définir leur somme en les mettant bout-à-bout en choisissant une unité étalon, le mètre (symbole M), toute longueur se mettra sous la forme

L = lm
Si g est le nombre qui mesure la grandeur G avec l’unité UG :
G=gUG
G a la dimension de UG.

La classification des diverses grandeurs

Les grandeurs additives : on définit la grandeur et la somme :

Scalaire : longueur, masse, tant, travail, ...
Vectorielles : force, champ électrique, ...
Les grandeurs additives : on ne peut définir par voie directe que le rapport : température, masse volumique, densité, indice de réfraction, ...

Constantes physiques universelles

Il ne faut pas confondre la notion de constantes mathématiques dont la valeur sans dimension fixée,

exemple : le nombre Π = 3,1416 ...
Et celle de constantes physiques dimensionnées, dont la valeur est fixée dans un certain choix d'unités.
Exemple : vitesse de la lumière dans le vide c=2,9979.108 ms-1

Règles orthographiques et typographiques

Le nom des unités est un nom commun même si l'unité dérive d'un nom propre ; la première lettre du nom d'une unité est donc toujours une minuscule. On écrit ainsi ampère, seconde et degré Celsius (ce n'est ici pas la première lettre qui est une majuscule). Par ailleurs, pour former les noms des unités multiples et sous-multiples, des préfixes sont simplement accolés. Enfin, en cas de produit d'unités, on utilise un tiret ou une espace dans le nom de l'unité dérivée. Ainsi, les bonnes orthographes de l'unité dont le symbole est kWh sont kilowatt - heure et kilowatt heure. On ne peut pas accoler plusieurs préfixes à une unité (nanomètre mais pas millimicromètre).

Les symboles des unités commencent par une minuscule si l'unité ne dérive pas d'un nom propre. En revanche, dans le cas contraire, le symbole d'une unité commence par une majuscule. Ainsi on peut comparer les symboles du pascal (Pa) et de la seconde (s). Le symbole du litre constitue une exception notable à cette règle puisqu'il est au choix l ou L, pour éviter les confusions avec le chiffre 1.

Les symboles des unités sont toujours écrits en caractères romains quelle que soit la police du texte où ils figurent. Ils constituent des entités mathématiques et non des abréviations ; ainsi on écrit 30 cm et non pas 30 cms.

Les abréviations des symboles et noms d'unités (telles sec pour la seconde (s) ou cc pour le centimètre cube (cm3)) sont prohibées. Il ne faut pas mélanger les symboles (entités mathématiques) et les noms des unités ; ainsi on écrira toujours newton par kilogramme et jamais newton par kg. Enfin les notations de la division et de la multiplication s'appliquent aux symboles des unités dérivées : ainsi on peut écrire le symbole du mètre par seconde m·s-1, m/s ou et celui du kilowattheure kW h ou kW·h. Pour éviter les notations ambiguës, on n'utilise jamais plus d'une barre oblique dans le symbole d'une unité : A/m/s pourrait être le symbole de l'ampère par mètre et par seconde (A·m-1·s-1 ou A/(m·s)) ou celui de l'ampère seconde par mètre (A·m-1·s ou A·s/m).

Les symboles des unités sont obligatoirement précédés d'une espace insécable (à la seule exception des symboles des unités sexagésimales d'angle : 40° 16' 25") ; ainsi, on écrit 30 cm et non pas 30cm.

Unités de base et unités dérivées

Unité de longueur : Le mètre (m)

Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde. (17e CGPM (1983), Résolution 1, CR 97)

Historiquement, la première définition officielle et pratique du mètre (1791) était basée sur la circonférence de la terre, et valait 1/40 000 000ème d'un méridien. Auparavant, le mètre en tant que proposition d'unité décimale de mesure universelle était défini comme étant égal à 38 pouces de Prusse (John Wilkins, 1668), puis comme la longueur d'un pendule qui oscille avec une demi-période d'une seconde (Tito Livio Burattini, 1675).

Unité de masse : Le kilogramme (kg)

Le kilogramme (nom originel, le grave) est l'unité de masse. Il est égal à la masse du prototype international du kilogramme. Ce dernier, en platine-iridium (90%-10%), est gardé au Bureau international des poids et mesures à Sèvres, en France. (1re CGPM (1889), CR 34-38).

Historiquement, c'est la masse d'un décimètre cube, soit un litre d'eau prise à 4°C

Unité de temps : La seconde (s)

La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 à une température de 0 kelvin. (13e CGPM (1967-1968), Résolution 1, CR 103)

La seconde est bien sûr basée à l'origine sur la durée moyenne d'un battement de coeur humain. Soit 86 400 battements de coeur humain par jour terrestre (divisé en 24 heures, puis en 60 minutes et en 60 secondes).

Unité de courant électrique : L'ampère (A)

L'ampère est l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de un mètre l'un de l'autre dans le vide produirait entre ces conducteurs une force égale à 2.10-7 newton par mètre de longueur. (9e CGPM (1948), Résolution 7, CR 70)

Unité de température : le kelvin (K)

Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. (13e CGPM (1967), Résolution 4, CR 104)

Cette définition fait du kelvin Θ une mesure de température égale en variation à celle du degré Celsius T, mais basée sur le Zéro absolu

T=Θ-273,15

Unité de quantité de matière : La mole (mol)

La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12. (14e CGPM (1971), Résolution 3, CR 78)

Ce nombre est appelé nombre d'Avogadro. Lorsque l'on emploie la mole, les entités élémentaires doivent être spécifiées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons, d'autres particules ou des groupements spécifiés de telles particules.

Unité d'intensité lumineuse : Le candela (Cd)

La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540.1012 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est de 1/683 watt par stéradian. (16e CGPM (1979) Résolution 3, CR 100)

Unités supplémentaires

L'unité d'angle plan : Le radian ()

le radiant est l'angle plan qui ayant son sommet au centre d'un cercle intercepte sur la circonférence de ce cercle, un arc de longueur égale à celle du rayon.

L'unité d'angle solide, c'est à dire dans l'espace : Le stéradian()

le stéradian et l'angle solide qui, ayant son sommet au centre d'une sphère, des cours sur la surface de cette sphère lunaire équivalence à celle d'un carré de côté le rayon de la sphère.

jeudi, 04 janvier 2018 12:51

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jeudi, 14 décembre 2017 15:20

La cohésion de la matière

La cohésion de la matière fait intervenir de types d'interactions :

  • L’interaction électromagnétique entre protons électrons qui assurent la formation des atomes puis des molécules.
  • L'interaction forte entre les nucléons qui assurent la cohésion du noyau. Il faut en effet des forces attractives extrêmement intenses pour annuler les répulsions colombiennes dans le noyau. Les électrons ne sont pas soumis à l'interaction forte. Ce sont des leptons (mince, petit en grec). Seuls les nucléons présentent une interaction forte. Ils font parti des hadrons (fort en grec).

D'après l'hypothèse émise en 1964 et sans cesse affinés depuis, les hadrons seraient formés à partir de particules encore plus élémentaires, appelées quarks.

jeudi, 14 décembre 2017 15:09

Caractéristiques de l'atome

Un atome comporte Z protons. Z est appelé nombre de charges au numéro atomique de l'atome. Z correspond aussi au nombre d'électron de l'atome. L'atome est ainsi globalement neutre.

On trouvera aussi N neutron dans le noyau. La somme (N+Z) donne le nombre total des nucléons dans le noyau : A = N + Z. Ce nombre A est appelé le nombre de masses de l'atome.

L'atome X est représenté sous le symbole :

X Z A X lsub Z lsup A

L'unité de quantité de matière : la mole

L’unité des quantités de matières est la mole (symbole : mol). « La mole est la quantité d'objets d'un système contenant autant d'objets qu'il y a d'atomes dans 12 g de carbone 12 ( C 6 12 X lsub Z lsup A )».

C'est en revenant à l'hypothèse d'Avogadro : « tous les gaz occupent aux conditions normale de température et de pression (CNTP) ; 25°C, 1Atm ; le même volume quel que soit leur nature. Ce volume pour une molle est égale à 22,414 l » que l'on a défini le nombre d'Avogadro :

Na=6,0220.1023 mol-1

En revenant sur les travaux de Faraday sur l'électrolyse, on définit la quantité d'électricité correspondant au passage d'une mol électrons :

F=Na.e=96 485C
il s'agit du Faraday

Remarque : la mole représente donc un facteur multiplicatif permettant de passer de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique. Il faut toujours préciser la nature des entités élémentaires étudiées : atome, ion, molécules, électrons, etc.

L’unité de masse atomique (symbole u)

L’unité de masse du système international est le kilogramme. Comme le kilogramme est totalement inadapté à l'échelle atomique, on a défini l'unité de masse atomique comme le douxième de la masse d'un atome de carbone 12. Comme une mole de carbone 12 à une masse de 12 g, l'unité de masse atomique est équivalente à :

1u=1,6606.10-27 kg

Conséquence :

  • le nombre qui mesure la masse d'un atome en unité de masse atomique est le même que celui qui mesure une mole d'atomes en grammes
  • on préfére utiliser au niveau des particules élémentaires les masses en unité de masse atomique
    • électrons me=5,5.10-4 u
    • protons mp=1,00723 u
    • neutron mn=1,0087 u
  • la masse de l'électron restant négligeable, la masse du noyau est sensiblement égale à la masse de l'atome.

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