Gnralits sur les solutions Anne 2011Page 1 GENERALITES SUR LES SOLUTIONS I INTRODUCTION DEFINITION Mlange molculaire homogne dune ou plusieurs espces molculaires (le ou les soluts) parmi une autreespcemolculaireplusnombreusequiconstituelesolvant.Unesolutionnecomprenddonc quuneseulephaseetsopposeainsiauxsystmesdisperss,constitusde2phases :lunedentre elles (phase dispersante) contenant lautre (phase disperse) ltat de particules plus ou moins fines : solutionsmicellairesoupseudo-solutions(mtauxcollodaux,phospholipides),suspensions(solut : solide) et mulsions (solut : liquide) Lessolutionsaqueusessontcellesquelonrencontredanstouslesmilieuxbiologiquesducorps humain. TABLEAU DE LA REPARTITION DE LEAU DANS LORGANISME HUMAIN Ondistingue2grandscompartimentsliquidiensderpartitiondeleaudanslorganisme :le compartiment intracellulaire et le compartiment extracellulaire spars par la membrane cellulaire qui permet de maintenir la diffrence de composition entre ceux-ci. -L eaucellulaireestunmilieudiscontinu,divisenautantdesoussecteursquilyade cellules, dont la composition hydrolectrolytique varie suivant le type de cellules considres. -Leauextracellulairecomprendleliquideplasmatique,intravasculaire(compartiment plasmatique),danslequelbaignentlescellulessanguinesetleliquideinterstitiel (compartimentinterstitiel)danslequelbaignenttouteslesautrescellules.Les2secteurssont spars par la paroi des vaisseaux.Remarques :-Parmilesvaisseaux,seulslescapillairespermettentdeschangesentrecompartiments liquidiens, la paroi des veines et des artres est en effet impermable leau et aux soluts. La paroiendothlialedescapillairesestpermableleauetauxsolutsdepetitetailledits micromolculaires,telslesodiumetleglucose,maisnonceuxdegrandetaille,dits macromolculaires, telles lalbumine et les globulines ; ceci explique que la concentration en protines du milieu interstitiel est ngligeable devant celles du plasma. -Le compartiment vasculaire comprend la fois de leau extracellulaire (le plasma) et de leau intracellulaire(dansleglobule).Larpartitiondeleauentrelesglobulesetleplasmaest mesurparlhmatocrite(rapportduvolumedesglobulesauvolumetotaldesang ;ilest normalement gal 46% chez lhomme et 42% chez la femme) Gnralits sur les solutions Anne 2011Page 2 COMPARTIMENTHOMMEFEMME EAU INTRACELLULAIRE45% PC40% EAU EXTRACELLULAIRE INTERSTITIELLE PLASMATIQUE 10,9% PC 4,1 % PC 10,7% PC 4,3 % PC EAU EN % POIDS TOTAL60 %55 % Phnomne de dissolution Pour passer en solution il faut quune molcule chappe aux forces de cohsion de la matire dont elle provient et rompe la cohsion du solvant entre ses molcules. Ondistinguedesgroupementshydrophiles(OH ,CO,NH3)etdesgroupementshydrophobes (CH3, CH2,C2H6).Suivantlabondancerelativedecesgroupements,lescorpssontsolublesdansleauou dans les hydrocarbures et les graisses II CLASSIFICATION DES SOLUTIONS 1/ EN FONCTION DE LA TAILLE DES ELTS DISSOUS SolutionsmicromolculairesSolutions macromolculaires particulesdissoutes :ionsoumolculesde diamtre < 10 acides, bases, sels, sucre, ure Particules dissoutes : molcules de diamtre 10< < 1000 protines DialysablesNon dialysables Sdimentation non perceptibleSdimentationtrslente(ncessit dultracentrifugation) Invisibles lultramicroscopeNon visibles au microscope optique Visibles lultramicroscope Touslessystmesvivantssontcaractrissparlerleconsidrablequejouentdegrosdifices molculaires associant de faon covalente des milliers ou mme des centaines de milliers datomes (C, N, H, O essentiellement). Les macromolcules sont des polymres, association covalente dun ou dun nombre limit de motifs chimiques simples (les monomres), de masse molaire minimale. De nombreuses proprits physiques et biologiques des macromolcules (proprits cintiques ou optiques en particulier), dpendent de la forme de la particule en solution. La structure des bio polymres est extrmement varie. On distingue plusieurs niveaux dorganisation structurale : Structure primaire : ordre dans lequel se succdent les monomres. Dans le cas des acides nucliques, lastructureprimairedtermineparlasuccessiondesbasespuriquesetpyrimidiques,linformation stocke par ces bio polymres. Dans le cas des protines, il sagit de la succession dacides amins Structure secondaire : structuration de la chane de monomres sous une forme bien prcise : ex pour lADN disposition en double hlice (Crick et Watson) Structure tertiaire : repliement sur elles mmes des diffrentes parties de la chane de monomres. La structure tertiaire conditionne souvent lactivit biologique Structurequaternaire :denombreusesprotinesnesontbiologiquementactives quelorsquellessont constitues de plusieurs sous-units polypeptidiques (ex hmoglobine : 4 units polypeptidiques) Exemple de structures primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire pour des protines

Gnralits sur les solutions Anne 2011Page 3 II /EN FONCTION DE LA CHARGE ELECTRIQUE II-1 LES SOLUTIONS NEUTRES OU NON ELECTROLYTIQUES Les soluts ne se dissocient pas dans leau. Les molcules sont lectriquement neutres Les solutions neutres (glucose, ure) laissent peu ou pas du tout passer le courant lectrique. II-2 LES SOLUTIONS IONIQUES OU ELECTROLYTIQUES II-2-1 DISSOCIATION DES SOLUTES IONIQUES DANS LEAU La force dattraction assurant la cohsion des difices cristallins est rgie par la loi de Coulomb : F =1 xq q 4 tc0d2 avecq,q :chargedelanionetducation,d :distanceentreces2ions,c o: permittivit du vide lapermittivitdeleauest 80foisplusgrandequecelleduvide :ceau=80c vide.Danscesconditions,laforcedattractioncoulombiennediminuedun facteur 80 en solution aqueuse, la distance entre les ions augmente, la liaison saffaiblit davantage et on aboutit une dissociation complte du cristal (dans cecasonaaffaireunlectrolytefort)ouincomplte :lasolutioncontient alors des molcules neutre et des ions (il sagit dun lectrolyte faible) Molcules neutres et particules charges sont appeles : units cintiques On appelle osmoles Nunits cintiques o (degr de dissociation) = nombre de molcules dissocies nombre de molcules introduites Pour les lectrolytes forts o = 1 Pour les lectrolytes faibles0 < o< 1 II-2-2LOIGENERALEDELECTRONEUTRALITEDESSOLUTIONS ELECTROLYTIQUES Avant dissociation, chaque molcule est lectriquement neutre. Aprs dissociation, la charge positiveporteparleou les cations auxquelscettemolcule a donnnaissanceest gale envaleur absolue, cellengative,porteparlesanions.Lesanionsetlescationsserpartissentuniformmentdansla solution.Desortequesilonconsidreunvolumesuffisammentgranddesolution lacharge positivetotaledescationsestgaleenvaleurabsoluelachargengativetotaledesanions. Attention : dans un petit volume, au voisinage dun ion +, il y a en moyenne davantage dions que + II-2-3 PHENOMENE DE SOLVATATION Lasolvatationrsultedel'tablissementdeliaisonslectrostatiquesentrelesmolculesd'eauetles ions. Le nombre moyen de molcules d'eau de la couche de solvatation dpend de la charge de l'ion et de son rayon atomique: plus l'ion est charg plus il attire les molcules d'eau; et charge gale, plus un ion a un rayon ionique important, moins il attire de molcules d'eau. Ainsi l'ion chlorure est solvat par environ3molculesd'eaupourunrayondesolvatationinfrieuraurayondel'iondansunsolide ionique (NaCl) alors que l'ion sodium est solvat par environ 5 molcules d'eau et son rayon ionique est presque deux fois plus faible que lorsqu'il est solvat. Un autre exemple est le lithium (ion Li+) qui est solvat par environ 6 molcules d'eau ce qui fait passer son rayon ionique de 0,060 nm 0,236 nm (soit prs de 4 fois plus) lorsqu'il est solvat.Dans un champ lectrique, en solution, les ions les plus petits et les plus solvats migrent le plus lentement. II-2-4 Gnralits sur les solutions Anne 2011Page 4 FORCE IONIQUE DUNE SOLUTION ELECTROLYTIQUE Cestunevaleurnumriquequicaractriseltatdelasolutionlgarddesesproprits lectrostatiques ; elle est dfinie par la relation : u = 1 E Ci zi2 2 II-2-5PROPRIETES ELECTRIQUES Les solutions ioniques aqueuses conduisent le courant lectrique MOBILITE IONIQUE U :Un ion de charge qplac dans un champ E -est soumis une force F = qE -est frein par la force f =6tnr v (loi de Stokes ) SiqE = 6 tnr v v = qE v = U E(vitesse constante) 6 tnr par dfinitionU = q( E = 1 V/mU : m/s) 6 tnr

U est la mobilit ionique : vitesse v de l ion dans un champ lectrique unit (E = 1 V/m) U + = mobilit du cationU - = mobilit de lanion CONDUCTIVITE Lecouranttotaltransportparlasolutionestlasommedescourants correspondant au dplacement des anions et cations, I = I++ I I = F C z oS U - E (I :Fractiondecourantdau dplacement des anions) I+= F C z oS U + E (I+:Fractiondecourantdau dplacement des cations) F : Faraday (96500 C) : charge minimale porte par un ion gramme = N z e C z : concentration quivalente o : coefficient de dissociation S : section de la cuve U + E = longueur traverse S U + E = volume traverse C z oS U + E = nb dions qui traversent la section S /unit de temps I= F C z oS (U -+U +) E= F C z oS(U -+U +)V L V = RI I = V=V =; VS Rp L / SL p : rsistivit; =1conductivit p I+ = F C z oS (U -+U +)V = ;VS L L ; = F C z o (U -+U +) RELATION DE KOHLRAUSCH Gnralits sur les solutions Anne 2011Page 5 Applications : souvent laction biologique dun compos ne se produit que sil est dissoci. Le cyanure de potassium nestdangereuxquedissoci,les selsdemorphineontuneactiondautant pluspuissantequilssont ioniss. Les cations des mtaux lourds sont trs toxiques. Au dbut du sicle, lexprience de Leduc a montrlerledunchamplectriquepourfairepntrerlesionsdanslestissus.Lelapinreli lanode attirant les CN- meurt alors que le lapin reli la cathode attirant les K+ survit. -Dosage conductimtrique : concentration des ions monovalents dans le plasma -Ladilectrolysemdicamenteuse (ionophorse):onutiliselactiondeschampslectriques pour fairepntrerdans lorganismedesmdicamentsanti-inflammatoiresionisables(par ex auniveaudunearticulationenrhumatologieouenmdecinedusport) ;ladilectrolyseest utilisegalementenneurologiedansletraitementdesnvralgiesfaciales,lesnvrites,les hmiplgies. A titre dexemple Sur le ple ngatif, ont ajoute facilement :-chlorure de calcium (action calmante du calcium sur les nvrites),-salicylate de lithine (action de la lithine sur certains rhumatismes),-nitrate daconitine (action de laconitine sur la nvralgie faciale),-sulfate de cuivre (action antimycosique du cuivre),-alphachymotrypsine (entorses)et sur le ple positif :-solutionsdioduredepotassium(actionvaso-dilatatriceetrsolutivedeliodesurles cicatrices, sur lhmiplgie),-de salicylate de soude (rhumatismes, goutte),-de thiomucase (dmes traumatiques) III CONCENTRATIONS Laconcentrationcaractriselasolutiondupointdevuequantitatifenprcisantlerapportexistant entre solvant et solut III-1 LE TITRE Exprime le rapport entre la masse du solut sur la masse de la solutionen % t = masse de solutx 100 masse du solut + masse du solvant III-2 CONCENTRATION PONDERALE (ou massique) Masse du corps dissous par unit de volume de la solution Cp = m g/L ou kg/m3 (SI) V III-3 CONCENTRATION MOLAIRE OU MOLARITE Nombre de moles du corps dissous par unit de volume de la solution C = n enmmol /L ou mol/ m3 (SI) V III-4 CONCENTRATION MOLALE OU MOLALITE Nombre de moles dissoutes pour 1000 g de solvant Sexprime en mol/ Kg Cm = n m0 III-5 FRACTION MOLAIRE Cest le rapport du nombre de moles de solut au nombre de moles total (solut + solvant) f =ns ns + n0 Gnralits sur les solutions Anne 2011Page 6 III6 CONCENTRATION OSMOLAIRE OU OSMOLARITE Nombre dosmoles par unit de volume de solution ; Sexprime en mosmol/L ou osmol/m3 (SI) e = C[ o (p-1) + 1] o : degr de dissociationp : nombres dions provenant de la dissociation e = Ci i : coefficient dionisationi = e nombre dunits cintiques (osmoles) Cnombre de molcules introduites Pour les solutions neutres o = 0 , e = C Pour les lectrolytes forts o = 1 , e = C x p Pour les lectrolytes faibles0 < o < 1, e= C [ o(p-1) +1] III-7 CONCENTRATION EQUIVALENTE Tout ion porte une charge = z x e La charge minimale porte par un ion-gramme (N ions) = N z e = 96500 C = 1 Faraday avec z = 1, e = 1,6 10 19C, N = 6,02 10 23 lquivalent gramme est la fraction dion-gr portant 1 Faraday Pour un ion-gr monovalent , portant 1 Faraday, 1 quivalent-gr = 1 ion-gr Pour un ion-gr bivalent, portant 2 Faraday (z =2), 1 quivalent-gr = 1/2 ion-gr Dune manire gnrale : 1 quivalent gr= 1 ion gr Z La concentration quivalente est le nombre dquivalent-gr par unit de volume de solution. Ceq = C x z Pourlesbiologistes,laconcentrationquivalenteglobalecomprendlasommedesCeqanioniqueet cationique. Ceq = E C i+ . zi+ +EC i-. z i- IV ACTIVITE DES SOLUTIONS ELECTROLYTIQUES Lintensit dun phnomne physique en fonction de la concentration en lectrolyte diminue lorsque la concentration augmente. Pourleslectrolytesforts,DebyeetHuckelattribuentlesanomaliesobservesladiminutiondela libertdesionsensolution.Eneffet,Lorsquelessolutionsnesontpastrsdilues,ilyades interactions entre les ions. La dissociation est totale maistous les ionsforms nesont pasgalement utiles Pourleslectrolytesfaibles,lcartsexpliqueparladiminutiondudegrdedissociationpourles fortes concentrations. Dans tous ces cas, on remplace la notion de concentration par la notion dactivit. Lactivitioniquepeutdoncsereprsenterparlaconcentrationapparentetellequellepeuttre estime par ses effets physico-chimiques . Cest la concentration utile. a = C (C : concentration relle) :coefficient dactivit :coefficient dactivitvarie avec u : force ionique Pour des forces ioniques faibles