Le rôle de l'énergie dans les réactions chimiques

Les réactions chimiques nécessitent une quantité suffisante d'énergie pour que la matière entre en collision avec suffisamment de précision et de force pour que les anciennes liaisons chimiques puissent être rompues et de nouvelles formées. En général, l'énergie cinétique (kinetic energy) est la forme d'énergie qui alimente tout type de matière en mouvement. Imaginez que vous construisez un mur de briques. L'énergie nécessaire pour soulever et placer une brique sur une autre est de l'énergie cinétique – l'énergie que la matière possède en raison de son mouvement. Une fois le mur en place, il stocke de l'énergie potentielle. L'énergie potentielle (potential energy) est l'énergie de position, ou l'énergie que la matière possède en raison du positionnement ou de la structure de ses composants. Si le mur de briques s'effondre, l'énergie potentielle stockée est libérée sous forme d'énergie cinétique lorsque les briques tombent.

Dans le corps humain, l'énergie potentielle est stockée dans les liaisons entre les atomes et les molécules. L'énergie chimique (chemical energy) est la forme d'énergie potentielle dans laquelle l'énergie est stockée dans les liaisons chimiques. Lorsque ces liaisons sont formées, de l'énergie chimique est investie, et lorsqu'elles se rompent, de l'énergie chimique est libérée. Notez que l'énergie chimique, comme toute énergie, n'est ni créée ni détruite ; elle est plutôt convertie d'une forme à une autre. Lorsque vous mangez une barre énergétique avant de partir en randonnée, le miel, les noix et les autres aliments contenus dans la barre sont décomposés et réarrangés par votre corps en molécules que vos cellules musculaires convertissent en énergie cinétique.

Les réactions chimiques qui libèrent plus d'énergie qu'elles n'en absorbent sont caractérisées comme exergoniques. Le catabolisme des aliments de votre barre énergétique en est un exemple. Une partie de l'énergie chimique stockée dans la barre est absorbée par les molécules que votre corps utilise comme carburant, mais une partie est libérée, par exemple sous forme de chaleur. En revanche, les réactions chimiques qui absorbent plus d'énergie qu'elles n'en libèrent sont endergoniques. Ces réactions nécessitent un apport d'énergie, et la molécule résultante stocke non seulement l'énergie chimique des composants d'origine, mais aussi l'énergie qui a alimenté la réaction. Puisque l'énergie n'est ni créée ni détruite, d'où provient l'énergie nécessaire aux réactions endergoniques ? Dans de nombreux cas, elle provient de réactions exergoniques.

Formes d'énergie importantes pour le fonctionnement humain

Vous avez déjà appris que l'énergie chimique est absorbée, stockée et libérée par les liaisons chimiques. En plus de l'énergie chimique, l'énergie mécanique, l'énergie radiante et l'énergie électrique sont importantes pour le fonctionnement humain.

• L'énergie mécanique, qui est stockée dans des systèmes physiques tels que les machines, les moteurs ou le corps humain, alimente directement le mouvement de la matière. Lorsque vous soulevez une brique pour la placer sur un mur, vos muscles fournissent l'énergie mécanique qui déplace la brique.
• L'énergie radiante est l'énergie émise et transmise sous forme d'ondes plutôt que de matière. Ces ondes varient en longueur, allant des longues ondes radio et micro-ondes aux courtes ondes gamma émises par les noyaux atomiques en désintégration. Le spectre complet de l'énergie radiante est appelé spectre électromagnétique. Le corps utilise l'énergie ultraviolette de la lumière du soleil pour convertir un composé dans les cellules de la peau en vitamine D, essentielle au fonctionnement humain. L'œil humain a évolué pour voir les longueurs d'onde qui composent les couleurs de l'arc-en-ciel, du rouge au violet, de sorte que cette gamme du spectre est appelée « lumière visible ».
• L'énergie électrique, fournie par les électrolytes dans les cellules et les fluides corporels, contribue aux changements de tension qui aident à transmettre les impulsions dans les cellules nerveuses et musculaires.

Caractéristiques des réactions chimiques

Toutes les réactions chimiques commencent par un réactif (reactant), terme général désignant la ou les substances qui entrent dans la réaction. Les ions sodium et chlorure, par exemple, sont les réactifs dans la production de sel de table. La ou les substances produites par une réaction chimique sont appelées le produit (product).

Dans les réactions chimiques, les composants des réactifs – les éléments impliqués et le nombre d'atomes de chacun – sont tous présents dans le(s) produit(s). De même, il n'y a rien de présent dans les produits qui ne soit pas présent dans les réactifs. Cela est dû au fait que les réactions chimiques sont régies par la loi de conservation de la masse, qui stipule que la matière ne peut être ni créée ni détruite dans une réaction chimique.

Tout comme vous pouvez exprimer des calculs mathématiques dans des équations telles que 2 + 7 = 9, vous pouvez utiliser des équations chimiques pour montrer comment les réactifs deviennent des produits. Comme en mathématiques, les équations chimiques se déroulent de gauche à droite, mais au lieu d'un signe égal, elles emploient une ou plusieurs flèches indiquant la direction dans laquelle la réaction chimique se déroule. Par exemple, la réaction chimique dans laquelle un atome d'azote et trois atomes d'hydrogène produisent de l'ammoniac serait écrite comme $\text{N + 3H}\to {\text{NH}}_{\text{3}}$. De manière correspondante, la décomposition de l'ammoniac en ses composants serait écrite comme ${\text{NH}}_{\text{3}}\to \text{N + 3H.}$

Notez que, dans le premier exemple, un atome d'azote (N) et trois atomes d'hydrogène (H) se lient pour former un composé. Cette réaction anabolique nécessite de l'énergie, qui est ensuite stockée dans les liaisons du composé. Ces réactions sont appelées réactions de synthèse. Une réaction de synthèse (synthesis reaction) est une réaction chimique qui aboutit à la synthèse de composants qui étaient auparavant séparés (Figure 2.12a). Encore une fois, l'azote et l'hydrogène sont des réactifs dans une réaction de synthèse qui donne de l'ammoniac comme produit. L'équation générale pour une réaction de synthèse est $\text{A + B}\to \text{AB.}$

Figure 2.12 Les trois réactions chimiques fondamentales Les atomes et les molécules impliqués dans les trois réactions chimiques fondamentales peuvent être imaginés comme des mots.

Dans le second exemple, l'ammoniac est catabolisé en ses composants plus petits, et l'énergie potentielle qui avait été stockée dans ses liaisons est libérée. Ces réactions sont appelées réactions de décomposition. Une réaction de décomposition (decomposition reaction) est une réaction chimique qui décompose quelque chose de plus grand en ses parties constituantes (voir Figure 2.12b). L'équation générale pour une réaction de décomposition est : $\text{AB}\to \text{A}+\text{B}$.

Une réaction d'échange (exchange reaction) est une réaction chimique dans laquelle la synthèse et la décomposition se produisent, des liaisons chimiques sont à la fois formées et rompues, et de l'énergie chimique est absorbée, stockée et libérée (voir Figure 2.12c). La forme la plus simple d'une réaction d'échange pourrait être : $\text{A}+\text{BC}\to \text{AB}+\text{C}$. Notez que, pour produire ces produits, B et C ont dû se séparer dans une réaction de décomposition, tandis que A et B ont dû se lier dans une réaction de synthèse. Une réaction d'échange plus complexe pourrait être :$\text{AB}+\text{CD}\to \text{AC}+\text{BD}$. Un autre exemple pourrait être : $\text{AB}+\text{CD}\to \text{AD}+\text{BC}$.

En théorie, toute réaction chimique peut se dérouler dans les deux sens dans les bonnes conditions. Les réactifs peuvent se synthétiser en un produit qui est ensuite décomposé. La réversibilité est également une qualité des réactions d'échange. Par exemple, $\text{A}+\text{BC}\to \text{AB}+\text{C}$ pourrait ensuite s'inverser en $\text{AB}+\text{C}\to \text{A}+\text{BC}$. Cette réversibilité d'une réaction chimique est indiquée par une double flèche : $\text{A}+\text{BC}\rightleftarrows \text{AB}+\text{C}$. Cependant, dans le corps humain, de nombreuses réactions chimiques se déroulent dans une direction prévisible, dans un sens ou dans l'autre. Vous pouvez considérer ce chemin plus prévisible comme le chemin de moindre résistance car, typiquement, la direction alternative nécessite plus d'énergie.

Facteurs influençant la vitesse des réactions chimiques

Si vous versez du vinaigre dans du bicarbonate de soude, la réaction est instantanée ; le mélange bouillonnera et pétillera. Mais de nombreuses réactions chimiques prennent du temps. Une variété de facteurs influencent la vitesse des réactions chimiques. Cette section, cependant, ne considérera que les plus importants pour le fonctionnement humain.

Enzymes et autres catalyseurs

Pour que deux substances chimiques dans la nature réagissent l'une avec l'autre, elles doivent d'abord entrer en contact, et cela se produit par des collisions aléatoires. Parce que la chaleur aide à augmenter l'énergie cinétique des atomes, des ions et des molécules, elle favorise leur collision. Mais dans le corps, une chaleur extrêmement élevée – comme une très forte fièvre – peut endommager les cellules du corps et être mortelle. D'autre part, la température corporelle normale n'est pas assez élevée pour favoriser les réactions chimiques qui maintiennent la vie. C'est là qu'interviennent les catalyseurs.

En chimie, un catalyseur (catalyst) est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans subir elle-même de modification. Vous pouvez considérer un catalyseur comme un agent de changement chimique. Ils aident à augmenter la vitesse et la force avec lesquelles les atomes, les ions et les molécules entrent en collision, augmentant ainsi la probabilité que leurs électrons de la couche de valence interagissent.

Les catalyseurs les plus importants dans le corps humain sont les enzymes. Une enzyme (enzyme) est un catalyseur constitué d'une protéine ou d'acide ribonucléique (ARN) ; ces deux types de molécules seront abordés plus loin dans ce chapitre. Comme tous les catalyseurs, les enzymes agissent en abaissant le niveau d'énergie qui doit être investi dans une réaction chimique. L'énergie d'activation (activation energy) d'une réaction chimique est le niveau d'énergie « seuil » nécessaire pour rompre les liaisons dans les réactifs. Une fois ces liaisons rompues, de nouveaux arrangements peuvent se former. Sans enzyme pour agir comme catalyseur, un investissement d'énergie beaucoup plus important est nécessaire pour déclencher une réaction chimique (Figure 2.13).

Figure 2.13 Enzymes Les enzymes diminuent l'énergie d'activation requise pour qu'une réaction chimique donnée se produise. (a) Sans enzyme, l'apport d'énergie nécessaire au démarrage d'une réaction est élevé. (b) Avec l'aide d'une enzyme, moins d'énergie est nécessaire pour qu'une réaction commence.

Les enzymes sont essentielles au bon fonctionnement du corps. Elles facilitent, par exemple, la décomposition des aliments et leur conversion en énergie. En fait, la plupart des réactions chimiques dans le corps sont facilitées par des enzymes.