Thermodynamique statistique biomoléculaire GBM2620 Automne 2016 Chapitre 16 de Molecular Driving Forces 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 1 Chapitre 16 : Solvatation et transfert de molécules entre phases Dans ce chapitre, on s’intéresse à la solvatation et à la partition de particules d’une espèce chimique dans un milieu composé d’une autre espèce chimique. On va aussi déterminer comment des molécules modifient l’équilibre de phase pour des molécules d’une autre espèce chimique. Par exemple, certaines toxines se dissolvent dans un milieu tel que l’eau et s’accumulent dans un autre, tel que le gras de poisson. L’ajout de sel fait fondre la glace et fait augmenter le point d’ébullition de l’eau. Différences de potentiel chimique est la force motrice : 1) Les particules ont tendance à se déplacer vers des régions où leur concentration est plus faible afin d’augmenter l’entropie (s). 2) Les particules ont tendance à se déplacer vers des régions pour lesquelles elles ont une plus grande affinité chimique (enthalpie h). 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 2 La solvatation est le transfert de molécules entre un gaz et un liquide On considère un mélange liquide de deux composants A et B, B (l’eau) est volatil, A (sel) ne l’est pas: B peut se déplacer librement entre la phase gazeuse et le liquide. Le degré de liberté du système est le nombre de molécules de type B dans le gaz N B g ou le nombre de molécules dans le liquide N B l . Pour un sel (A) dissout dans l’eau (B), l’eau est plus volatil. On peut aussi avoir un gaz (B volatil) dissout dan l’eau (A moins volatil) B g B l La condition d’équilibre à T et p constantes est D’après les chapitres 11 (Eq. 11.50) et 15 (Eq.15.17) B g B l kT ln pB p 2017-04-21 0 B ,int kT ln x B zwBB 2 kT AB 1 xB Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 2 3 Modèle du réseau pour solvatation et diminution de la pression de vapeur ln xB zwBB pB 0 e pB,int 2kT AB 1 xB 2 x e zw BB 2kT AB 1 xB 2 B On peut exprimer pB dans une forme plus compacte: pB p x e 0 B B AB 1 xB 2 zwBB 2 kT 0 0 où pB pB ,int e (Eq. 14.9) est la tension de vapeur de B au-dessus d’une solution pure de B (xB 1) Dans le cas d’une solution idéale ( AB 0 ), pB est une fonction linéaire de xB , c’est la loi de Raoult. B a plus tendance à s’échapper lorsque AB 0 et moins lorsque AB 0 . Lorsque xB 1 , la solution se comporte comme si elle était idéale, peu importe la valeur de AB . 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu xB 1 (~idéal) 4 Modèle du réseau pour solvatation et diminution de la pression de vapeur L’ajout d’une faible quantité de sel à de l’eau pure diminue sa pression de vapeur. Pourquoi si l’énergie d’interaction ne joue aucun rôle ( AB 0 ou xB 1 ) ? L’ajout de A (sel) diminue la tendance à s’échapper de B (eau). Comme pour l’idéalité dans un gaz parfait, l’idéalité en solution ( AB 0 ou xB 1 ) décrit des processus dont la force motrice est l’entropie de translation et non pas l’énergie d’interaction. Pour un liquide pur de B, W 1 S k ln W 0, xB 1 zwBB 2 B0 W 1 Quand des molécules A sont ajoutées, W 1 S 0, B B0 kT ln xB kT AB 1 xB 2 B B0 kT ln xB si AB 0 ou xB 1 B B0 W 1 ** B ne dépend pas de AB lorsque xB 1 car les B ont principalement B comme voisin proche, comme dans une phase pure de B. 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 5 Modèle du réseau pour solvatation et diminution de la pression de vapeur Un mélange de type A et B a plus d’entropie de translation que B pur. L’entropie de mélange attire les molécules B de la phase pure de B (le gaz) dans le mélange AB. La composante échangeable est attirée dans la phase qui contient l’espèce non-échangeable (le sel). Le potentiel chimique de B dans le mélange est plus faible que dans B pur. La particule a tendance à s’échapper de la phase qui a un potentiel chimique plus élevé. Pour les cas non-idéaux, les énergies d’interactions vont moduler la tendance à s’échapper de B: AB > 0 : A et B ont une faible affinité l’un pour l’autre, B s’échappe plus. AB 0 : A et B ont une forte affinité l’un pour l’autre, B s’échappe moins. 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 6 Modèle du réseau pour solvatation et diminution de la pression de vapeur On s’intéresse maintenant au cas xB 0 xB 0 Par exemple, du gaz B volatile dissout en faible quantité dans beaucoup d’eau A, pas aussi volatile. Aux concentrations faibles de B pB zwBB x e B pB0 ,int 2kT AB 1 xB pB k H x B 2 x e B k H pB0 ,int e AB xB 0 zwBB 2 kT xB e z wAA wAB kT 2 z wAA wAB kT 2 pB0 ,int e o hsolution kT Cette région linéaire est la région où la loi d’Henry s’applique. L’enthalpie de solution est o La mesure de kH permet de déterminer hsolution 2017-04-21 o hsolution zwAB zwAA 2 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu Ex 16.1 7 Modèle du réseau pour solvatation et diminution de la pression de vapeur Reprenons l’expression de pB lorsque xB 0 : pB pB0 ,int xB e zwBB 2 kT AB pB0 ,int xB e w w zwBB z wAB AA BB 2 2 kT kT pB0 ,int xB e wAA z wAB 2 kT L’argument de l’exponentiel représente le processus suivant: une cavité est ouverte dans A et elle est comblée avec B. **Rappel ch. 14 (diapo 11) U ouvrir U fermer zwAA 2 Uinsérer U retirer zwAB * z/2 liens AA brisés et z liens AB crées pB pB0 ,int xB e o hsolution zwAB zwAA 2 wAA z wAB 2 kT indique que B va se concentrer dans A si l’affinité AB est grande ou si l’affinité AA est faible. (Ex. 16.1) 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 8 Un modèle thermodynamique définit l’activité et le coefficient d’activité On va maintenant développer un modèle thermodynamique pour étudier le même processus. Avantage: Plus général et ne dépend pas de Bragg-Williams ou modèle du réseau. Désavantage: Pas de lien avec les interactions microscopiques dans le système. On débute avec la même condition d’équilibre qui s’applique à tout modèle, i.e. B g B l . D’après Eqs 11.50, 15.18 & 15.19 B g ~ ln pB et B l ~ ln xB B g B0 g kT ln pB et B l B0 l kT ln B xB 2017-04-21 L’indice dans B g signifie que c’est le potentiel chimique lorsque pB =1 peu importe les unités utilisées. 0 0 L’indice 0 dans B0 l a deux significations décrites plus loin (selon que B, le composant volatil, est en excès ou pas par rapport à A) . Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 9 Un modèle thermodynamique définit l’activité et le coefficient d’activité En utilisant la condition d’équilibre, on trouve que : pB B xB e kT où B0 B0 l B0 g La quantité B xB xB est l’activité et B xB est le coefficient d’activité, qui est une fonction de xB . 0 B Le coefficient d’activité rend compte de la non-idéalité des mélanges. Pour un mélange idéal, B xB 1 . Voici comment utiliser ces quantités: On mesure pB pour plusieurs solutions de diverses compositions xB . On divise pB par xB pour obtenir le facteur pB xB B e 0 B kT Il y a cependant plusieurs choix différents de B l donner la valeur observée de ce ratio. 2017-04-21 0 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu et xB qui vont 10 Un modèle thermodynamique définit l’activité et le coefficient d’activité Pour des molécules non-chargées, on choisit l’une des deux conventions standards suivantes: La convention du solvant est utilisée lorsque la composante volatile B est la composante en excès.L’idéalité B xB 1 quand xB 1 est définie dans la limite où B devient un solvant pur, xB 1 B0 l est le potentiel chimique d’une molécule B complètement entourée d’autres molécules B (côté droit de la graphique précédent) La convention du soluté est utilisée lorsque la composante volatile B est minoritaire. L’idéalité B xB 1 quand xB 0 est atteinte dans la limite où B devient infiniment dilué, xB 0 B0 l est le potentiel chimique d’une molécule B complètement entourée de molécules A (côté gauche de la graphique précédent) **Un état standard est un état de référence pour calculer des propriétés dans des conditions différentes. Plusieurs états standards sont obtenus par extrapolation de certaines conditions limites (telle que la dilution infinie de la convention du soluté) et sont donc hypothétiques. Leur propriétés thermodynamiques sont néanmoins bien définies. 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 11 Interprétation de ces quantités thermodynamiques avec le modèle du réseau Les deux expressions des potentiels chimiques de B dans le liquide (diapo 13 ch 15 et eq 15.18 et 15.19) montre que 2 B0 l kT ln B xB kT ln xB zwBB 2 kT AB 1 xB B0 l kT ln B zwBB 2 kT AB 1 xB 2 0 Dans la convention du solvant B xB 1 B l , B xB 1 1 B0 l zwBB 2 et B e AB 1 xB 2 B0 représente l’énergie libre requise pour ouvrir une cavité dans une phase pure de B et y insérer une molécule B. Dans la convention du soluté B xB 0 1 B0 l zwBB 2 kT AB = z wAB wAA 2 et B e AB xB xB 2 B0 représente l’énergie libre requise pour ouvrir une cavité dans une phase pure de A et y insérer une molécule B. 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 12 L’ajout de soluté peut faire augmenter la température d’ébullition du solvant Le soluté peut affecter l’équilibre de phase de A À p=1 atm, l’eau bouille à 100ºC, mais l’eau salée bouille à une température plus élevée. L’ajout de sel réduit la tendance de l’eau à se vaporiser. Nous prenons Eq 16.2 (ou diapo 4) : pB p xe 0 B ,int B AB 1 xB 2 zwBB 2kT L’eau est en ébullition lorsque sa tension de vapeur égale la pression atmosphérique. Si la pression atmosphérique = 1 atm, l’eau pur ( xB 1 ) est en ébullition à Tb 0 100°C pB 1 atm pB0 ,int exp zwBB 2 RTb0 Nous considérons une solution idéal : AB 0 Maintenant si l’eau est légèrement dilué par une soluté xB 1 sa température d’ébullition Tb1 est donné par : pB 1 atm pB0 ,int xB exp zwBB 2 RTb1 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 13 L’ajout de soluté peut faire augmenter la température d’ébullition du solvant On a donc exp zwBB 2 RTb0 xB exp zwBB 2 RTb1 zwBB 1 1 ln xB 2 R Tb0 Tb1 Si la différence de température est petite : 1 1 Tb1 Tb0 T 2 Tb0 Tb1 Tb0Tb1 Tb0 o o o Notez que hvap hgaz hliq zwBB 2 et ln xB ln 1 xA xA o hvap T xA R Tb20 2017-04-21 RTb20 T o x A hvap Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 14 L’ajout de soluté peut faire augmenter la température d’ébullition du solvant Nous voyons que la présence d’une soluté A nonvolatile augmente la température d’ébullition RTb20 T o x A hvap Ce résultat est même valide pour une solution idéal et est donc due aux effets purement entropique (aucune énergie interaction pour le cas idéal). Les molécules de solvant (l’eau) préfèrent rester dans le liquide avec le soluté parce que l’entropie de mélange avec le soluté le favorise par rapport au solvant pur. Alors une température plus haute est requis pour l’ébullition. 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 15 L’ajout de soluté peut faire augmenter la température d’ébullition du solvant Pour les solutions idéales RTb20 T o x A hvap l’augmentation du point d’ébullition dépend linéairement de la concentration du soluté non-volatil (comme pour la diminution de la tension de vapeur). Cette augmentation dépend de deux termes: 1) la concentration de soluté et 2) l’enthalpie de vaporisation du solvant pur. Les propriétés des solutions idéales dépendent seulement de la concentration et non de la nature chimique du soluté. Ainsi, les lois colligatives sont similaires à la loi des gaz parfaits pour des solutions diluées. 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 16 Unités de concentration – Molalité (plus précis que molarité – mass vs volume) On utilise souvent la molalité comme unité de concentration plutôt que la fraction molaire. La molalité m A est le nombre de moles du soluté A dissoutes dans 1 kg de solvant B: nA 1000 g de B nA n xA A nA nB nB mA xA pour une solution diluée mA 1000 g de B mA M B 1000 g de B M B RTb 2 T 0 M B m A Kbm A hvap 2017-04-21 où M K b _ H 2O B = masse molaire de B en g mol-1 8.314 J K -1 Ex 16.2 mol-1 373.15 K 18 g mol-1 2 40656 J mol-1 0.513 K kg mol-1 augmentation de 0.513 K par mole dissoute par kg solvant Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 17 L’ajout de soluté peut faire diminuer la température de congélation du solvant L’ajout de sel diminue le point de congélation sous 0ºC, selon les mêmes principes que pour l’augmentation du point d’ébullition. Le processus de fusion est un équilibre d’une composante échangeable, tel que l’eau, entre sa phase solide et liquide. Le sel se dissout préférentiellement dans le liquide et on peut approximer qu’il n’est pas échangeable. L’ajout de sel diminue le potentiel chimique de l’eau dans le liquide (diminue donc sa tendance à s’échapper du liquide) et va attirer l’eau de la phase pure (glace) vers le mélange et faire fondre la glace. où h est l’enthalpie de vaporisation du solvant pur 0 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 18 L’ajout de soluté peut faire diminuer la température de congélation du solvant En procédant de la même façon que précédemment, on trouve: T f kT f2 x A K f mA hofus o o hofus hliquide hsolid où T f est la température de fusion du liquide pure. K f _ H2O 1.86 K kg mol-1 glycerol glucose sucrose 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 19 L’ajout de soluté d’un côté d’une membrane semi-perméable génère une pression osmotique On considère un liquide pur B séparé d’un mélange AB par une membrane semi-perméable. B (solvant) peut se déplacer librement, mais pas A (soluté). Les molécules de solvant vont être attirées vers le mélange en raison de l’entropie de mélange favorable. Le flux net de solvant peut être arrêté de deux façons: En appliquant une pression du côté du mélange; 1. Par accumulation de volume du côté du mélange qui augmentera la pression hydrostatique. 2. 2) Dans les deux cas, la pression supplémentaire requise pour maintenir le système en équilibre est la pression osmotique . 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 20 L’ajout de soluté d’un côté d’une membrane semi-perméable génère une pression osmotique Quelle est la relation entre la composition osmotique à l’équilibre? xB et la pression À l’équilibre, le potentiel chimique du solvant doit être le même des deux côtés: B pur, p B mélange, p , xB Pour trouver la relation entre et thermodynamique suivant: xB , on utilise le cycle 1. On augmente p du liquide pur à p . 2. On ajoute le soluté à p constante= p . Il suffit de calculer comment B change au cours de ces 2 processus. 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 21 L’ajout de soluté d’un côté d’une membrane semi-perméable génère une pression osmotique Pour le premier processus: B pur , p B pur , p p p En utilisant la relation de Maxwell B p V N B vB (où v B = volume molaire de B), on a p B pur , p B pur , p B dp p Pour le deuxième processus: vB dp B pur , p vB p B mélange, p , xB B pur , p RT ln B xB B mélange, p , xB B pur , p vB RT ln B xB À l’équilibre, 2017-04-21 B pur, p B mélange, p , xB vB RT ln B xB Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 22 L’ajout de soluté d’un côté d’une membrane semi-perméable génère une pression osmotique Pour une solution idéal et dilué : vB RT ln B xB RT ln xB RT ln 1 xA RTxA Avec xA nA nB et V nB vB n RT nA RT A RTc A vB nB V Pression osmotique proportionnelle à la concentration molaire du soluté Exemple 16.3 : Trouver la masse molaire M d’une substance dissoute à cm 1.2 g L1 et qui génère 0.2 atm RTcm RTcm 8.2 10 RTcA M M 2017-04-21 2 L atm K -1 mol-1 300 K 1.2 g L-1 0.2 atm Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 147 g mol-1 23 Les solutés peuvent migrer et se concentrer préférentiellement dans certains milieux Dans plusieurs processus, des molécules sont transférées d’un milieu à un autre: Séparation chromatographique Équilibration de solutés entre un solvant non-polaire et l’eau Diffusion au travers de membranes polymériques ou biologiques Adsorption de médicaments sur des surfaces Jusqu’à présent, on s’est concentré sur les propriétés colligatives qui impliquent un transfert de molécules de solvant d’un endroit à un autre. On va maintenant traiter les phénomènes qui impliquent un transfert de molécules de soluté d’un endroit à un autre. On utilisera donc la convention du soluté . 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 24 Les solutés peuvent migrer et se concentrer préférentiellement dans certains milieux Coefficient de partition On considère les solvants A et B. A et B sont immiscibles ou séparés l’un de l’autre d’une certaine façon. Un soluté s se dissout dans les deux solvants et peut migrer de l’un à l’autre. À l’équilibre, si les concentrations de s dans A et B sont le coefficient de partition est défini par : K AB xsB xsA La condition d’équilibre est : Selon le modèle du réseau : s A kT 2017-04-21 xsA et xsB , alors s A s B zwss 2 ln xsA sA 1 xsA 2kT et s B kT Michael D. Buschmann et Marc Lavertu zwss 2 ln xsB sB 1 xsB 2kT 25 Les solutés peuvent migrer et se concentrer préférentiellement dans certains milieux En utilisant la condition d’égalité des potentiels chimiques, on trouve le coefficient de partition: zwss zw 2 2 ln xsA sA 1 xsA = ss ln xsB sB 1 xsB 2kT 2kT x 2 2 ln K AB ln sB sA 1 xsA sB 1 xsB xsA Le résultat pour le modèle thermodynamique (i.e. s0 B s0 A xsB ln K ln ln sB xsA kT sA s s0 kT ln s xs ) : B A où s s B s A est appelée l’énergie libre de transfert 0 0 0 À dilution infinie du soluté dans les 2 phases, convention du soluté sA 1 et sB 1 xsA , xsB 1 et dans la 0 0 A B x s s B sB ln K A ln sA sB xsA kT 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 26 Les solutés peuvent migrer et se concentrer préférentiellement dans certains milieux Exemple 16.4 : Coefficient de partition pour transférer le butane (C4H10) dans l’eau (butane pur vers H2O) K hcw e 0 RT 6000 exp 1.987 300 4.5 105 Un des processus simples de partition est le transfert de s pur à un mélange avec A. Par définition ss 0 et x eau ln Kbutane ln butane, eau butane, butane butane, eau butane, eau xbutane, butane Les expériences de partition sont une façon directe de mesurer le paramètre d’interaction binaire AB . Pour le butane dans l’exemple 16.4, 2017-04-21 eau butane,eau ln K butane ln 4 105 10 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu Ex 16.5 27 Les solutés peuvent migrer et se concentrer préférentiellement dans certains milieux Les contributions au processus de transfert d’une molécule s à dilution infinie sont : Ouvrir une cavité en B Retirer une molécule de soluté de A Insérer une molécule de soluté dans cette cavité de B Fermer la cavité en A zwsB zwBB 2 zwsA ss 0 Bilan: zwAA 2 zwBB zw zwsA zwsB AA 2 2 w wss wAA wss z wsB BB w sA kT sB sA 2 2 s0 B s0 A (L'énergie libre de transfert) 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 28 Expériences de partition La force motrice de transfert dépend de z qui est une mesure de l’aire de contact entre le soluté et le solvant. s0 B s0 A devrait être une fonction linéaire de la taille des solutés. Pour la même raison, la constante de Henry devrait changer avec la taille du soluté kH pB0 e . sB pour les alcools 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 29 La dimérisation en solution implique la désolvatation Calcul de la constante d’équilibre de l’association noncovalente de A et B pour former AB dans le solvant s. K A B AB A, B et AB sont infiniment dilué. Les degrés de liberté sont N A , N B et N AB . T et p sont constants. Le changement d’énergie libre est La conservation des espèces A et B: dG AdN A B dN B AB dN AB . N A N AB N Atotal cte et N B N AB N Btotal cte dN A dN B dN AB La condition d’équilibre est À dilution infinie, 2017-04-21 dG 0 A B AB dG 0 0 AB kT ln xAB A0 B0 ln xA ln xB kT kT Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 30 La dimérisation en solution implique la désolvatation La constante d’équilibre de dimérisation est donnée par 0 xAB AB A0 B0 ln Kdimère ln x x kT A B Le modèle du réseau donne (voir Eq 15.28 pour dilution infinie de A et B) A0 wss zwAA z sA ln q A w sA ln q A kT 2kT kT 2 wss B0 zwBB z sB ln qB w sB ln qB kT 2kT kT 2 2017-04-21 Les fonctions de partition internes doivent être incluses parce que les degrés de liberté internes peuvent changer avec la dimérisation. Il faut déterminer AB , le coût en énergie libre pour ouvrir deux cavités dans le solvant s et y insérer un A et un B sur des sites adjacents. 0 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 31 La dimérisation en solution implique la désolvatation 0 Pour calculer AB , on considère une cavité formée de deux sites entourée d’une 1ère couche de 2(z-1) molécules de solvant (6 si z=4). Le nombre de liens brisés pour ouvrir la cavité est la moitié des liens de la 1ère couche soit z-1 (3 si z=4). Le coût en énergie pour ouvrir la cavité est donc : wss z 1 L’énergie gagnée en insérant un A est wsA z 1 et wsB z 1 pour un B. La dernière contribution est due à la formation du dimère: wAB 2017-04-21 0 AB kT z 1 kT wsA wsB wss wAB ln q AB kT Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 32 La dimérisation en solution implique la désolvatation 0 xAB 0 ( AB A0 B0 ) wsA wsB wss wAB q AB ln K dimère ln ln kT kT kT q A qB x A xB wss wAA wss wBB wAA wBB q AB 1 w w w w w ln ss ss sA sB AB kT 2 2 2 q A qB ln K dimère q AB 1 ln sA sB AB z q A qB z 1 wsB wAB La dimérisation peut être représentée par les cycles thermodynamiques suivants: z 1 wss wsA 1. Processus d’échange 2. A et B sont transférés du solvant à la phase vapeur. Ils s’associent et le dimère AB est ensuite solvaté. zwsB zwss wAB zwsA zwsB Désolvatation: Liens brisés: 1 s-A et 1 s-B Liens créés: 1 s-s et 1 A-B 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu z 1 wsA wsB wss 33 La dimérisation en solution implique la désolvatation ln K dimère q 1 sA sB AB ln AB z q A qB L’association de AB peut être induite par l’affinité de A pour B ou par l’affinité de s pour s wss 0 ou par la « contre-affinité » de s pour A ou B. L’interaction hydrophobique est un exemple: les molécules d’hydrocarbures dans l’eau à 25C sont poussées à s’associer principalement en raison de la forte affinité eau-eau que créent les ponts hydrogène et non pas parce que l’eau et les hydrocarbures ont une « contre-affinité » . Pour une dimérisation AA: x 2wsA wss wAA qAA 2 qAA ln Kdimère ln AA ln ln sA 2 2 x kT q z qA2 A A 2017-04-21 Michael D. Buschmann et Marc Lavertu 34