Prsentation PowerPoint

1
La thermodynamique, pour quoi faire ?
Physique des échanges dénergie Aspects
énergétiques des phénomènes biologiques
terme chaleur dynamis puissance
Quantifier la chaleur dégagée par une réaction
(?H, métabolisme) Evolution dun système (?G,
transport actif passif, couplage entre
réactions) Equibres (conformationels, fixation de
ligands, changement de phase) Diffusion et
transport des macromolécules
2
The energetics of assembly processes
binding affinity (Ka) binding stoichiometry
(n) heat (DH) of binding heat capacity (DCp) of
binding

• Antigen-Antibody
• Protein-Ligand
• DNA-Protein
• Receptor Binding
• Drug-DNA
• Lipid-Protein

3
The secret of life,
The secret of life is molecular recognition the
ability of one molecule to "recognize" another
through weak bonding interactions. Linus
Pauling at the 25th anniversary of the Institute
of Molecular Biology at the University of Oregon
4
EquilibreInteraction protéine-ligand
P L PL
Comment le ligand est reconnu ?
Connaissance de la structure du complexe. Permet
description de linteraction en termes de
liaisons H, interaction hydrophobes,
électrostatiques Connaissance des paramètres
thermodynamiques permet de comprendre le
mécanisme de reconnaissance DG, DH, DS,n
Kd, Kon, Koff,... - quelles sont les
interactions importantes ? - reconnaissance
dominée par facteur enthalpique ou entropique?
5
Repliment et stabilité des Macromolécules
Particularité des protéines des polymères qui
adoptent une conformation unique dans leur état
natif
MRYTEAQQIGRTEGIKHLM LKITFVREUTYRIVCWQSEAIITHGFDRE
SQAATYRIVIGR TEGI
La séquence contient dinformation nécessaire au
repliement 3D
Prédire la structure à partir de la séquence ?
Quelles sont les forces et les mécanismes
responsables du repliement des protéines?
6
Changements de phase en biologie
Lauto-assemblage des micelles lipidiques ou la
formation des membrannes
Cristallisation des macromolécules
7
Notion de coopérativité
lexemple classique de lhémoglobine moteurs
moléculaires hélicases processus de
polymérisation, formation de micelles
La fonction de partition du système permet de
calculer le nombre moyen de sites occupés, la
longueur moyenne dun filament dactine..
8
Notion dénergie interne Le premier Principe
L énergie se conserve ni détruite, ni crée A un
système, on peut associer une Energie Energie
Interne notée U fonction détat Au cours
dune transformation ?UWQ
dU?W ?Q dU variation dépends état initial,
état final ?W ?Q dépendent du chemin
suivi Lénergie interne dun système isolé est
constante ?U 0
9
Lénergie interne adaptée à létude de
transformations à volume constant
transformation à volume constant W - ?
PEXdV 0 et donc ?UWQ Q la chaleur
échangée au cours dune transformation à
volume constant est une mesure de la variation
dénergie interne du système
Les réactions chimiques sont souvent réalisées à
pression constante (1 atm) et à volume variable
(variation du nombre de moles de gaz) ?UQ
WQ - PEXDV Les variations de volumes
difficilement mesurables
10
Lenthalpie, une fonction introduite pour létude
de transformations à pression constante
Pour étudier des transformations réalisées à
pression constante, on va donc introduire une
fonction détat (H,enthalpie) qui ne fait
intervenir que la chaleur échangée. DU
U2-U1 QP-P(V2-V1) QP-PV2 PV1 soit (U2
PV2 ) - (U1 PV1 ) QP ou encore H2-H1 QP
avec H U PV Pour une transformation
(réaction biochimique) se déroulant à pression
constante,la chaleur échangée est une mesure
directe de la variation denthalpie.
11
Notion dentropie Le second principe
Pour prévoir lévolution des systèmes, on a
introduit une fonction thermodynamique
lENTROPIE. Au cours dune transformation
spontanée, lentropie de lunivers (système
milieu extérieur) augmente. Lentropie dun
système isolé ne peut pas diminuer - si la
transformation est réversible DS 0 - si la
transformation est irréversible DS gt 0 DSunivers
DSsystème DSext
12
Calcul de variations dentropie

• A léchelle macroscopique, la variation
  dentropie est liée à la quantité
• de chaleur échangée par le système
• Transformation réversible
• Variables évoluent de façon infinitésimale
• T température à laquelle le système échange la
  quantité de chaleur dQ lors
• de la transformation A-gtB.
• DS SB-SA ?A-gtB dS
  ?A-gtB dQ/T

Transformation irréversible S est une fonction
détat. Pour calculer DS associée à une
transformation irréversible, on imagine une
transformation réversible ayant mêmes
états initiaux et finaux.
13
Lenthalpie libre
Le second principe fournit un critère très
général permettant de déterminer si un
transformation est spontanée DSunivers DSsys
DSext gt 0 Ce critère prends en compte ce qui se
passe dans le milieu extérieur et nest donc que
difficilement utilisable De même de la notion
denthalpie a été introduite pour modéliser des
transformations à pression constante, une
fonction détat appelée énergie libre (énergie
de Gibbs) a été introduite pour établir une
condition de spontanéité.
une transformation spontanée correspond à -
maximum dentropie - MINIMUM de lenthalpie
libre
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Au cours dune transformation DHext DHsystème
0 (1er principe) Si la réalisée à température
constante DSext DHext /T - DHsys /T On peut
réécrire la condition de spontanéité
DSunivers DSsys DSext DSsys - DHsys /T gt 0
soit T DSsys - DHsys gt 0 DHsys - T
DSsys lt 0 Pour ne prendre en compte que la
variation dune fonction, on pose DGsys DHsys
- T DSsys lt 0 On défini une nouvelle fonction
détat G H TS énergie libre Lénergie ou
enthalpie libre est telle que sa variation au
cours dune transformation spontanée est
négative Léquilibre correspond à un minimun de
lénergie libre du système
15
réaction chimique
- transformation impliquant un réarrangement
atomique au sein de la matière avec rupture et
création de liaisons chimiques fortes
transcription, réplication de lADN, traduction,
métabolisme... - par extension, un phénomène
physique au cours duquel seule la nature des
liaisons entre molécules se trouve
modifiée reconnaissance moléculaire,
interaction protéine ligand, repliement des
protéines et AN Application des lois de la
thermodynamique à létude dune réactions
chimique de manière à déterminer si la réaction
peut se produire et à quantifier les les aspects
énergétiques.
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Coléoptère bombardier

• En réponse à une attaque, le coléoptère
  bombardier (stenaptinus insignis) projete sur
  l'ennemi une solution aqueuse bouillante de
• quinones.
• Des réactions d'oxydo-réduction sont mises en
  jeu. Elles sont possèdent les caractéristiques
  suivantes
• elles n'ont lieu qu'en présence de l'enzyme
  (catalase ou péroxydase),
• elles sont fortement exothermiques,
• l'une d'entre elle a comme produit, un gaz,
  l'oxygène O2.

17

• Dans la partie inférieure de l'abdomen du
  coléoptère se trouvent deux compartiments. Le
  premier contient une solution d'hydroquinone et
  de péroxyde. Sur la paroi du second se trouvent
  les enzymes.                                    
                                                    
    
• Au repos les deux compartiments sont séparés.
  Aucune réaction n'a lieu.
• En réponse à une attaque, un peu de la solution
  d'hydroquinone et de péroxyde est poussée dans le
  second compartiment. La présence des enzymes
  déclenche la réaction.
• La rapidité de ces réactions exothermiques ne
  permet pas le transfert de chaleur à
  l'environnement de l'insecte. Le milieu
  réactionnel chauffe. La pression dans le
  compartiment. qui augmente avec la production de
  O2 (g) et son chauffage, provoque l'expulsion de
  la solution.

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Thermodynamique Chimique
Relations fondamentales Opérateur de Lewis Etat
standard et importance de la concentration Influe
nce de la température
19
Cas dune réaction au cours de laquelle, A1 et A2
réagissent pour donner A3 et A4. A1 et A2
réactifs A3 et A4 produits
n1 , n2 , n3 et n4 coefficients
stoeckiométriques n1
A1 n2 A2 n3A n4A4 Pour
décrire la réaction, on considère un système
(chimique) composé des espèces A1, A2, A3 et A4
dont la composition varie sous leffet dune
réaction chimique R qui le fait évoluer dun
état initial A vers un état final B dans des
conditions de pression, volume et température
définies. A(n1, n2, n3, n4)
B(n1, n2,n3, n4)
20
De manière générale, on considère un nombre t
despèces dont la composition varie sous leffet
dune réaction. A(n1, n2, .... nt)
B(n1, n2,....
nt) Le schéma réactionnel n1A1 n2A2
.... npAp np1Ap1
...ntAt réactifs
produits
Si niAi 0 Le
coefficient stoeckiométrique ni, relatif à Ai est
un nombre réel - ni gt 0 si Ai est un
produit - ni lt 0 si Ai est un réactif
21
Au cours dune réaction, les quantités des divers
composants du système sont liées. On utilise un
paramètre ? (mol) , qui correspond à lavancement
de la réaction pour décrire la composition du
système ni(?) ni(0) ?.ni
Lavancement de la réaction ? (mol) on,
prononce ksi - n1 A1 n2 A2
n3 A3
n4 A4 ? 0 n1(0) n2(0)
n3(0)
n4(0) ? n1(?) n2(?)
n3(?)
n4(?) ? ni(?) - ni(0)
ni
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Enthalpie de réaction quantifie la chaleur
échangée
DrH H(Produits) H(Réactifs)
Enthalpie libre de réactionprévoir si une
réaction peut avoir lieu
DrG G(Produits) G(Réactifs)
DrG DrG RT ln (Q) lt 0
0 DrG RT ln (K) avec K Q
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Enthalpie de réaction
Variation denthalpie accompagnant une réaction
La réaction fait passer le système de détat A
à létat B A(n1, n2, n3, n4), caractérisé par un
avancement ? 0 à un état B(n1, n2,n3, n4)
caractérisé par un avancement ? 1
DrH H(B) H(A) H(? 1) - H(?
0)
En pratique, on considère essentiellement des
réactions à pression constante
Chaleur échangée au cours de la réaction
24
Expression de lenthalpie de réaction n1 A1
n2 A2 n3 A3 n4
A4
Si h1, h2, h3 e h4 représentent lenthalpie
molaire de A1, A2, A3 et A4 respectivement, on
exprime H(?) H(?) n1h1 n2h2 n3h3
n4h4 n1(0)-n1 ?h1 n2(0)-n2
?h2 n3(0)n3 ?h3 n4(0) n4 ?h4
DrH H(? 1) H(? 0)
n1(0)-n1h1 n2(0)-n2h2
n3(0)n3h3 n4(0) n4h4 -
n1(0) h1 n2(0) h2 n3(0)
h3 n4(0) h4
n3h3 n4h4 - (n1h1 n2h2 )
DrH H(Produits) H(Réactifs)
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Réaction endo et exo-thermique Réactifs
Produits DrH
H(Produits) H(Réactifs)
DrHgtO le système absorbe de lénergie DrHlt0
le système cède de lénergie
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Enthalpie de réaction fonction détat
A
B
C
D
Il peut être difficile de mesurer directement
lenthalpie dune réaction. On peut toujours
(très souvent) décomposer la réaction dintérêt
(A donne B) en une série de réactions
(imaginaires ou non) qui conduisent au même
produit (A donne C, C donne D et D donne B) et en
déduire lenthalpie de réaction cherchée.
DrH(A-B) H(B)-H(A) H(B)-H(D)
H(D)-H(C) H(C)-H(A) DrH(D-B)
DrH(C-D) DrH(A-C)
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Autres grandeurs de réaction
Pour une réaction chimique, on peut attribuer à
chaque composant une entropie et/ou une énergie
libre et calculer l entropie et/ou lénergie
libre des réactants et des produits. Lentropie
de la réaction est par définition la différence
dénergie libre du système lorsque se produit la
réaction. DS Sproduits - Sréactants
Lenthalpie libre de la réaction est par
définition la différence dénergie libre du
système lorsque se produit la réaction. DG
Gproduits - Gréactants
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Notion détat standard
Une grandeur de réaction nest définie que si les
états initiaux (réactifs) et finaux (produits)
sont définis (P, T, nature chimique, état
physique..)
Enthalpie standard de réaction valeur de
lenthalpie de réaction lorsque les réactifs et
produits sont dans leur état standard (corps pur
non mélangé, état physique le plus stable (s, l
,ou g ), T298 K, 1 atm)
Une grandeur thermodynamique déterminée par
rapport à son état standard est distinguée par le
signe DrH
Comme pour lenthalpie, on peut définir une
variation dentropie standard lorsque réactifs et
produits sont dans leur état standard
Connaissant DH R et DS R de réaction, on peut
calculer DG R DH R -T DS R On défini
également pour des enthalpies libre de formation
et lon a DG R DG fproduits - DG
fréactants
29
Enthalpie standard de formation
Enthalpie de la réaction par laquelle se forme un
corps à partir de corps simples (composés dun
même type datomes) pris dans leur état
standard DfH lenthalpie standard de formation
dun corps simple est nulle les enthalpies
standard de formation sont tabulées
C(g) ½ 02 CO DfH-110 kJ/mol C(g)
02 CO2 DfH-393 kJ/mol
30
Notion de grandeur et grandeur standard
Sont tabulées les grandeurs thermodynamiques
standard DrG DrS DrG
La connaissance de ces paramètres permet de
savoir par exemple, si une réaction prise dans
des conditions standard va dégager ou absorber de
la chaleur ou si une réaction est possible.
En pratique, on nest jamais ou très rarement
dans des conditions standard (corps pur non
mélangé, état physique le plus stable, T298 K, 1
atm). Pour prédire la chaleur qui peut être
dégagée par une réaction ou son évolution, il
faut tenir compte de - la concentration
des réactifs et produits - intégrer le fait que
la réaction peut ne pas être totale.
Les grandeurs standard donnent cependant des
indications qui peuvent être utilisées en
première approximation si on ne dispose pas
dindications plus précises.
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Grandeur de réaction opérateur de Lewis
Réaction chimique Si niAi 0 Grandeur de
réaction relative à la grandeur thermodynamique
Z Z énergie interne, enthalpie, entropie,
enthalpie libre.... DrZ (?Z/ ? ?)P,T
grandeur intensive, état instantané du
système Représente la variation virtuelle de Z
lorsque lavancement augmente dune unité
32
Grandeur de réaction et grandeurs partielles
molaires
Réaction chimique Si niAi 0 Grandeur
(thermodynamique) extensive Z f(P, T, ?)
f(P,T, ni) Grandeur molaire partielle
zi (?Z/ ?ni)P,T f(P, T,
..,ni,..) Grandeur de réaction relative à la
grandeur thermodynamique Z liée aux grandeurs
partielles molaires associées aux composants
Ai DrZ (?Z/ ? ?)P,T Si nizi
Représente la variation virtuelle de Z lorsque
lavancement augmente dune unité
33
Démontrer que DrZ (?Z/ ? ?)P,T Si nizi
Réaction chimique Si niAi 0 dZ (?Z/ ?
P)T,n dP (?Z/ ? T)P,n dT S zi dni
(1) ni(?) ni(0) ?.ni dni(?) ni d? dZ
(?Z/ ? P)T,n dP (?Z/ ? T)P,n dT S zi ni
d? (?Z/ ? P)T,n dP (?Z/ ? T)P,n dT (S
zi ni) d? dZ (?Z/ ? P)T,n dP (?Z/ ? T)P,n
dT (?Z/ ? ?)P,T d?
34
Enthalpie de réaction
Système (Ai, ni) siège dune réaction Si niAi
0 Grandeur (thermodynamique) extensive H f(P,
T, ?) Grandeur molaire partielle
hi (?H/ ?ni)P,T f(P, T,
..,ni,..) Euler H Si ni (?H/ ?ni)P,T
Si nihi Enthalpie de réaction DrH (?H/ ?
?)P,T Représente la variation virtuelle de H
lorsque lavancement augmente dune unité
DrH Si nihi
35
Concrètement.....
n1 A1 n2 A2 n3
A3 n4 A4 - n1 A1 - n2 A2 n3 A3
n4 A4 0
Si h1, h2, h3 et h4 représentent lenthalpie
molaire de A1, A2, A3 et A4 respectivement, DrH
Si nihi n3h3 n4h4 - (n1h1
n2h2 )
DrH H(Produits) H(Réactifs)
On retrouve lexpression obtenue lorsque
lenthalpie de réaction est définie comme la
variation denthalpie associée à la
transformation des réactifs en produits
36
On va maintenant appliquer la notion de grandeur
de réaction à lenthalpie libre
Définition de lenthalpie libre de
réaction Critère dévolution dune réaction
chimique Notion de constante déquilibre
37
Enthalpie libre molaire partielle potentiel
chimique
Lenthalpie libre (G) dun système à plusieurs
composants (Ai) est fonction de P, T et ni
nombre de moles de tous les composants dG (?G/
? P)T,n dP (?G/ ? T)P,n dT S(?G/ ? ni)P,T,
nj dni V -S
mi mi (?G/ ?
ni)P,T, nj Le potentiel chimique du composant i
est par définition lenthalpie libre partielle
molaire de ce constituant m est une grandeur
intensive mi f(P, T, n1, n2...nn) Dun point
de vue physique, mi représente la variation
denthalpie libre dun système très étendu
lorsque lon rajoute à ce système une mole du
constituant Ai, P, T et le nombre de moles des
constituants Aj, j ?i étant constants
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Expression du potentiel chimique
De manière générale, le potentiel chimique mi,
dun composant Ai appartenant à un système
chimique (A1, A2, A3, .... ,An) sécrit mi (T,
P, n1, n2, ...) mi RT ln ai ai activité
chimique du composant i
P et c pression et concentrations standard ( 1
atm et 1 M) xi fraction molaire ( 1 lorsque Ai
est lunique constituant) gi coefficient
dactivité ( 1 pour une solution idéale)
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• Dans la plus part des systèmes biologiques,
  interviennent des charges
• - transfert de H
• - ions
• - molécules chargées (ARN, ADN....)
• Une molécule chargée acquiert une énergie
  électrique dont il faut tenir
• compte.
• mi (T, P, n1, n2, ...) mi RT ln ai ZNe?
• Ze charge de la molécule
• potentiel électrique
• N nombre davogagro

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Enthalpie libre de réaction
Système (Ai, ni) siège dune réaction Si niAi
0 Grandeur (thermodynamique) extensive G f(P,
T, ?) Grandeur molaire partielle
mi (?G/ ?ni)P,T f(P, T,
..,ni,..) Enthalpie libre de réaction DrG
(?G/ ? ?)P,T Représente la variation
virtuelle de G lorsque lavancement augmente
dune unité Sexprime simplement en fonction des
potentiels chimiques des composants du système
ainsi que des coefficients stoeckiométriques
DG R (?G/ ? ?)P,T Si nimi dG (?G/ ?
?)P,T d ? D R G d ? (P et T constants)
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Critère dévolution spontané
Lenthalpie libre de réaction permet de prédire
lévolution du système Le critère dévolution
spontané dG D R G d ? lt 0 D R G est la
dérivée de G par rapport à ?
A-E D R G lt 0 doù d ? gt 0 E-B D R G gt 0
doù d ? lt 0 E D R G 0 état déquilibre
G (?)
A
B
?i 0
M
?f 1
?e
?
O
E
42

• DR G est lié à la variation denthalpie libre du
  système au cours de la
• Réaction. Par exemple, lorsque que lavancement
  passe de 0 à ?f
• G ? 0 ?f dG ? 0 ?f DrG d ?

Lenthalpie libre de réaction sinterprète comme
la variation dénergie libre accompagnant la
transformation des réactifs en produits, qui
corresponds à la définition intuitive de
lenthalpie libre de réaction
DG R Si ni mi GProduits G(Réactifs
43
Différencier D R G et D R G
G
A réactifs B produits
A
D R G
B
A
D R G
B
44
Equilibre chimique
Un système (Ai, ni) siège dune réaction Si niAi
0 est à léquilibre lorsque lavancement de la
réaction ?e est tel que D R G 0 On exprime D
R G en fonction du potentiel chimique mi mi
RT ln ai soit D R G Si nimi Si ni(mi
RT ln ai) Si nimi RT Si ni ln ai D R
G RT ln ? (ai) ni D R G RT ln Q A
léquilibre chimique, la valeur prise par Q, le
quotient réactionnel, est appelée constante
déquilibre D R G D R G RT ln K 0
45
De nombreuses données thermodynamiques
associées à des processus biologiques sont
tabulées. Une liaison non covalente liaison
hydrogène
(D-H)aq (A)aq (D-H.....A)aq
?RH -5 kJ/mol
46
Changements conformationels
Changement conformationnel modification de la
structure secondaire polypeptide transition
hélice pelote polynucléotide (A.N.)
transition ds - ss
47
(No Transcript)
48
Calcul dune enthalpie standard de réaction
Les enthalpies de réaction peuvent être
mesurées Si les réactions font intervenir des
composés pour lesquels les enthalpies standard de
formation sont connues, on utilise le fait que
lenthalpie est une fonction détat et donc que
les variations sont indépendantes du chemin suivi
On fait intervenir les enthalpies de formation
des réactants et des produits. La réaction est
décomposée en deux étapes - réactants
transformes en éléments - éléments transformés
en produits
?RH ?fH produits - ?fH
reactifs
49
Les réactions à des températures physiologiques
Les grandeurs standard associées aux réactions
chimiques sont tabulées à 25 C or les réactions
ont souvent lieu à la température du corps
humain. Comment évaluer une enthalpie de réaction
à 37 C ?
Principe lenthalpie est une fonction détat
On imagine un cycle thermodynamique dans lequel
apparaît la réaction dintérêt à la température
connue et à la température faisant intervenir
connaît lenthalpie
50
Les grandeurs DH1 et DH2 sont calculables
Lenthalpie dun système est fonction de la
température et le coefficient de proportionnalité
est la capacité calorifique à pression constante
Cp. Si lon connaît la capacité calorifique
dune substance (Cp), on peut en déduire
lénergie à fournir pour le chauffer.
51
DH2 Cp(Produits)(T-T)
DH1 Cp(Réactifs)(T-T)
DH Cp(Produits)-Cp(Réactifs)(T-T) DH
DH Dcp(T-T) DH
52
Constante déquilibre et température
D R G est une grandeur standard, qui ne
dépends que de la température daprès léquation
D R G RT ln K 0 (1) , il en est de même
pour K On montre que d ln K DrH
dT
RT2 Loi de Van Hoff Si DrH est indépendant de
la température En intégrant entre T1 et T2 ln
-


K(T2) K(T1)
53
Si DrH ne peut être considéré comme indépendant
de la température
DrH(T) DrH(To) Dcp(T-To)
Soient K et Ko les constantes déquilibre dune
réaction aux températures T et To. En supposant
que la différence de capacité calorifique des
produits et des réactifs est indépendante de la
température, lexpression de K en fonction de
Ko reste simplement calculable.
Van Hoff d ln K DrH
dT RT2

d ln K DrH DrH(To) Dcp(T-To)
DrH(To)- Dcp(To) Dcp dT
RT2 RT2 RT2
RT



54
d ln K DrH DrH(To) Dcp(T-To)
DrH(To)- Dcp(To) Dcp dT
RT2 RT2 RT2
RT



En intégrant entre T1 et T2 ln
-

K(T) K(To)
DrH(To)- Dcp(To) R

Dcp R
lnT/To
55
Enthalpie de réaction quantifie la chaleur
échangée
DrH H(Produits) H(Réactifs)
Enthalpie libre de réactionprévoir si une
réaction peut avoir lieu
DrG G(Produits) G(Réactifs)
DrG DrG RT ln (Q) lt 0
0 DrG RT ln (K) avec K Q
56
Enthalpie et enthalpie libre sont des fonctions
détat
Les grandeurs standard associées aux réactions
chimiques sont tabulées à 25 C or les réactions
ont souvent lieu à la température du corps
humain. Comment évaluer une enthalpie de réaction
à 37 C ?
On imagine un cycle thermodynamique dans lequel
apparaît la réaction dintérêt à la température
connue et à la température faisant intervenir
connaît lenthalpie
57
Différencier D R G et D R G
G
A1,A2 réactifs A3,A4 produits
A1, A2
D R G
A3, A4
A1, A2
D R G
A3, A4
DrG DrG RT ln (Q) avec Q A3 n3A4
n4/A1 n1A2 n2
58
Analyse de vant Hoff
Cas dun équilibre et de DH indépendant de la
température Mesure des constantes déquilibre à
différentes températures R.lnK est représenté
en fonction de 1/T
K(T2) K(T1)
ln -