Cours sur la biologie moléculaire

LES ETATS DE LA MATIERE

I- Généralités :

Solides, liquides, gaz, etc. : la matière se présente sous plusieurs aspects. Il s'agit d'états aux propriétés distinctes et qui n'existent que dans certaines conditions de pression et de température. Lorsque celles-ci sont modifiées, on observe un changement d'état de la substance considérée.

II- Les déterminants de l’état de la matière:

Un état de la matière est la conséquence d’une compétition entre les forces d’attraction qui tendent à rapprocher les molécules et les causes d’éloignement qui les séparent (compétition entre ordre et désordre).

1. Les causes d’attraction :

Les liaisons intermoléculaires sont essentiellement d’origine électrostatique.

Certaines molécules ont un caractère polaire : si l’électronégativité d’un atome est plus importante que l’autre (dans une liaison covalente par exemple) le doublet électronique se déplace de la médiane et la dissymétrie de la partition des charges crée un Dipôle électrique

[pic 1]

Les dipôles :

Dipôles permanents

        Répartition des charges é (+ et -) est continuellement dissymétriques: molécule polaire, comme celle de l’eau

Dipôles induits ou déformables

     Si la molécule est éloignée de toute charge électrique, elle ne se comporte pas comme un dipôle

     Placée dans un champ électrique E, la molécule se transforme en dipôle (le champ E produit la dissymétrie des charges)

1. Les forces entre ions :

Obéissent à la loi de coulomb :

1. Les forces entre molécules neutres :

Une molécule globalement neutre peut attirer ses voisines du fait de son caractère polaire. Les pôles électro + attireront les pôles électro –  et vis versa (la molécule de H2O polaire illustre très bien de telles  interactions).

[pic 2]

1. Forces entre ions et molécules neutres :

Une structure stable électriquement neutre peut lorsqu’elle est soumise au champ électrique d’un dipôle permanent voir se modifier la répartition spatiale des électrons et devenir un dipôle.

Des ions peuvent ainsi s’entourer de plusieurs molécules en attirant les pôles qui portent les charges opposées aux leurs (c’est le phénomène de solvatation).

Si les molécules neutres sont des molécules d’ H2O, on parle de phénomène d’hydratation. Dans ce cadre, un ion Na+ s’entoure de 5 à 8 molécules d‘eau, un ion K+ de 4. Cette couronne d’eau augmente considérablement le volume de l’ion et c’est ce volume total de l’ion hydraté qui intervient dans les phénomènes de déplacement ionique: La membrane cellulaire est très perméable aux ions potassium et elle est moins aux ions sodium. Pourtant, le volume de l’ion sodium est plus petit que celui du potassium. La perméabilité accrue aux ions K+ et la perméabilité moindre vis-à-vis du Na+ s’explique par le phénomène d’hydratation sus décrit.

[pic 3]

1. Les causes de répulsion :

1. les forces de répulsion (dites de Born)

• Si les molécules très rapprochées
• Cause : impossibilités aux nuages électroniques de s’interpénétrer

[pic 4]

1. L’agitation thermique :

• Agitation désordonnée dont l’amplitude dépend de la température
• Agitation qui témoigne de l’acquisition par les molécules d’une certaine énergie cinétique dite de translation (mouvements Browniens).

• Si molécules complètement indépendantes les unes des autres : Etat gazeux
• Si liaisons intermoléculaires beaucoup plus fortes que l’énergie de translation         Etat solide.

• Entre ces deux extrêmes se situe l’état liquide

III. D’un état de la matière à un autre :

On décrit habituellement 3 états de la matière. Il en existe en fait quatre. Le 4ème est représenté par le plasma : gaz ionisé à de très fortes températures donc incompatible avec la vie.[pic 5]

IV. Propriétés des solides, des liquides et des gaz :

1. Les solides :

• Atomes ordonnés
• Position fixe des atomes et molécules les unes par rapport aux autres (agencées dans un cristal)
• Fortes interactions
• Matière dense

[pic 6]

2. Les liquides :

• Atomes désordonnés
• Fortes interactions
• Matière dense
• Écoulement : un liquide peut s’écouler en réponse à une contrainte extérieure.
• Mélange : les liquides peuvent se mélanger complètement, et aussi dissoudre les solides et les gaz
• Forces de surface: un liquide est un milieu dense caractérisé par une force de cohésion, comme celle des solides. A cause de cette cohésion, il exerce une force sur sa surface extérieure (tension superficielle) qui tend à être lisse et aussi réduite que possible.

3. Les gaz :

• Atomes désordonnés
• Chocs aléatoires
• Matière peu dense (ils seront traités avec plus de détail dans un chapitre à part)

V. les états intermédiaires :

L'eau liquide se solidifie à 0 °C et devient vapeur à 100 °C, mais de telles transitions ne sont pas si nettes. Des états intermédiaires brouillent ces frontières. C’est ainsi que certains cristaux se trouvent à l’état liquide et que certains liquides ressemblent aux solides sans en avoir toutes les propriétés. Dans ce qui suit nous décrirons un état intermédiaire dit matière molle. C’est le terme qu’on utilise pour décrire les GELS.

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