L'eau comme lubrifiant et amortisseur

L'eau est un composant majeur de nombreux fluides lubrifiants du corps. Tout comme l'huile lubrifie la charnière d'une porte, l'eau dans le liquide synovial lubrifie les mouvements des articulations du corps, et l'eau dans le liquide pleural aide les poumons à se dilater et à se rétracter avec la respiration. Les fluides aqueux aident à maintenir la circulation des aliments dans le tractus digestif et garantissent que le mouvement des organes abdominaux adjacents se fait sans friction.

L'eau protège également les cellules et les organes des traumatismes physiques, amortissant le cerveau à l'intérieur du crâne, par exemple, et protégeant le délicat tissu nerveux des yeux. L'eau amortit également un fœtus en développement dans l'utérus de la mère.

L'eau comme puits de chaleur

Un puits de chaleur est une substance ou un objet qui absorbe et dissipe la chaleur sans subir d'augmentation correspondante de température. Dans le corps, l'eau absorbe la chaleur générée par les réactions chimiques sans que sa température n'augmente considérablement. De plus, lorsque la température ambiante s'envole, l'eau stockée dans le corps aide à le maintenir au frais. Cet effet de refroidissement se produit lorsque le sang chaud du centre du corps s'écoule vers les vaisseaux sanguins juste sous la peau et est transféré à l'environnement. En même temps, les glandes sudoripares libèrent de l'eau chaude sous forme de sueur. Lorsque l'eau s'évapore dans l'air, elle emporte la chaleur, puis le sang plus frais de la périphérie circule de nouveau vers le centre du corps.

L'eau comme composant des mélanges liquides

Un mélange est une combinaison de deux ou plusieurs substances, chacune conservant sa propre identité chimique. En d'autres termes, les substances constitutives ne sont pas liées chimiquement pour former un nouveau composé chimique plus grand. Le concept est facile à imaginer si vous pensez à des substances pulvérulentes comme la farine et le sucre ; lorsque vous les mélangez dans un bol, elles ne se lient évidemment pas pour former un nouveau composé. L'air ambiant que vous respirez est un mélange gazeux, contenant trois éléments distincts — l'azote, l'oxygène et l'argon — et un composé, le dioxyde de carbone. Il existe trois types de mélanges liquides, tous contenant de l'eau comme composant clé. Ce sont les solutions, les colloïdes et les suspensions.

Pour que les cellules du corps survivent, elles doivent être maintenues humides dans un liquide à base d'eau appelé solution. En chimie, une solution (solution) liquide se compose d'un solvant qui dissout une substance appelée soluté. Une caractéristique importante des solutions est qu'elles sont homogènes ; c'est-à-dire que les molécules de soluté sont réparties uniformément dans toute la solution. Si vous mélangez une cuillère à café de sucre dans un verre d'eau, le sucre se dissoudrait en molécules de sucre séparées par des molécules d'eau. Le rapport sucre/eau dans le côté gauche du verre serait le même que le rapport sucre/eau dans le côté droit du verre. Si vous ajoutiez plus de sucre, le rapport sucre/eau changerait, mais la distribution — à condition d'avoir bien mélangé — serait toujours uniforme.

L'eau est considérée comme le « solvant universel » et on pense que la vie ne peut exister sans elle pour cette raison. L'eau est certainement le solvant le plus abondant dans le corps ; toutes les réactions chimiques du corps se produisent essentiellement parmi des composés dissous dans l'eau. Parce que les molécules d'eau sont polaires, avec des régions de charge électrique positive et négative, l'eau dissout facilement les composés ioniques et les composés covalents polaires. Ces composés sont appelés hydrophiles, ou « qui aiment l'eau ». Comme mentionné ci-dessus, le sucre se dissout bien dans l'eau. C'est parce que les molécules de sucre contiennent des régions de liaisons polaires hydrogène-oxygène, ce qui les rend hydrophiles. Les molécules non polaires, qui ne se dissolvent pas facilement dans l'eau, sont appelées hydrophobes, ou « qui craignent l'eau ».

Concentrations des solutés

Divers mélanges de solutés et d'eau sont décrits en chimie. La concentration d'un soluté donné est le nombre de particules de ce soluté dans un espace donné (l'oxygène représente environ 21 % de l'air atmosphérique). Dans la circulation sanguine humaine, la concentration de glucose est généralement mesurée en milligrammes (mg) par décilitre (dL), et chez un adulte sain, elle est en moyenne d'environ 100 mg/dL. Une autre méthode de mesure de la concentration d'un soluté est sa molarité — qui est le nombre de moles (M) des molécules par litre (L). La mole d'un élément est son poids atomique, tandis qu'une mole d'un composé est la somme des poids atomiques de ses composants, appelée poids moléculaire. Un exemple souvent utilisé est le calcul d'une mole de glucose, avec la formule chimique C₆H₁₂O₆. En utilisant le tableau périodique, le poids atomique du carbone (C) est de 12,011 grammes (g), et il y a six carbones dans le glucose, pour un poids atomique total de 72,066 g. En effectuant les mêmes calculs pour l'hydrogène (H) et l'oxygène (O), le poids moléculaire est égal à 180,156 g (le « poids moléculaire en grammes » de glucose). Lorsque de l'eau est ajoutée pour faire un litre de solution, vous avez une solution molaire (1 mol/L) de glucose, ou une molarité de 1 (1 M). Ceci est particulièrement utile en chimie en raison de la relation entre les moles et le « nombre d'Avogadro ». Une mole de toute solution contient le même nombre de particules : 6,02 × 10²³. De nombreuses substances dans la circulation sanguine et d'autres tissus du corps sont mesurées en millièmes de mole, ou millimoles (mM).

Un colloïde (colloid) est un mélange qui ressemble un peu à une solution lourde. Les particules de soluté consistent en de minuscules amas de molécules suffisamment grandes pour rendre le mélange liquide opaque (parce que les particules sont assez grandes pour diffuser la lumière). Des exemples familiers de colloïdes sont le lait et la crème. Dans les glandes thyroïdes, l'hormone thyroïdienne est stockée sous forme d'un mélange épais de protéines également appelé colloïde.

Une suspension (suspension) est un mélange liquide dans lequel une substance plus lourde est temporairement suspendue dans un liquide, mais avec le temps, elle se dépose. Cette séparation des particules d'une suspension est appelée sédimentation. Un exemple de sédimentation se produit lors du test sanguin qui établit le taux de sédimentation, ou vitesse de sédimentation. Le test mesure la rapidité avec laquelle les globules rouges dans un tube à essai se déposent hors de la partie aqueuse du sang (appelée plasma) sur une période donnée. Une sédimentation rapide des cellules sanguines ne se produit normalement pas dans un corps sain, mais certains aspects de certaines maladies peuvent entraîner l'agglutination des cellules sanguines, et ces lourds amas de cellules sanguines se déposent au fond du tube à essai plus rapidement que les cellules sanguines normales.

Le rôle de l'eau dans les réactions chimiques

Deux types de réactions chimiques impliquent la création ou la consommation d'eau : la synthèse par déshydratation et l'hydrolyse.

• Dans la synthèse par déshydratation, un réactif cède un atome d'hydrogène et un autre réactif cède un groupe hydroxyle (OH) lors de la synthèse d'un nouveau produit. Lors de la formation de leur liaison covalente, une molécule d'eau est libérée comme sous-produit (Figure 2.14). Ceci est aussi parfois appelé réaction de condensation.
• Dans l'hydrolyse, une molécule d'eau perturbe un composé, brisant ses liaisons. L'eau elle-même est divisée en H et OH. Une partie du composé rompu se lie alors à l'atome d'hydrogène, et l'autre partie se lie au groupe hydroxyle.

Ces réactions sont réversibles et jouent un rôle important dans la chimie des composés organiques (qui seront discutés sous peu).

Figure 2.14 Synthèse par déshydratation et Hydrolyse Les monomères, les unités de base pour construire des molécules plus grandes, forment des polymères (deux monomères ou plus liés chimiquement). (a) Dans la synthèse par déshydratation, deux monomères sont liés de manière covalente dans une réaction où l'un cède un groupe hydroxyle et l'autre un atome d'hydrogène. Une molécule d'eau est libérée comme sous-produit lors des réactions de déshydratation. (b) Dans l'hydrolyse, la liaison covalente entre deux monomères est rompue par l'addition d'un atome d'hydrogène à l'un et d'un groupe hydroxyle à l'autre, ce qui nécessite la contribution d'une molécule d'eau.

Acides

Un acide (acid) est une substance qui libère des ions hydrogène (H⁺) en solution (Figure 2.16a). Parce qu'un atome d'hydrogène n'a qu'un seul proton et un seul électron, un ion hydrogène chargé positivement est simplement un proton. Ce proton solitaire est très susceptible de participer à des réactions chimiques. Les acides forts sont des composés qui libèrent tous leurs H⁺ en solution ; c'est-à-dire qu'ils s'ionisent complètement. L'acide chlorhydrique (HCl), qui est libéré par les cellules de la paroi de l'estomac, est un acide fort car il libère tous ses H⁺ dans l'environnement aqueux de l'estomac. Cet acide fort aide à la digestion et tue les microbes ingérés. Les acides faibles ne s'ionisent pas complètement ; c'est-à-dire que certains de leurs ions hydrogène restent liés au sein d'un composé en solution. Un exemple d'acide faible est le vinaigre, ou acide acétique ; il est appelé acétate après avoir cédé un proton.

Figure 2.16 Acides et Bases (a) En solution aqueuse, un acide se dissocie en ions hydrogène (H⁺) et en anions. Presque chaque molécule d'un acide fort se dissocie, produisant une forte concentration de H⁺. (b) En solution aqueuse, une base se dissocie en ions hydroxyle (OH^–) et en cations. Presque chaque molécule d'une base forte se dissocie, produisant une forte concentration de OH^–.

Bases

Une base (base) est une substance qui libère des ions hydroxyle (OH^–) en solution, ou qui accepte les H⁺ déjà présents en solution (voir Figure 2.16b). Les ions hydroxyle (également appelés ions hydroxyde) ou d'autres substances basiques se combinent avec les H⁺ présents pour former une molécule d'eau, éliminant ainsi les H⁺ et réduisant l'acidité de la solution. Les bases fortes libèrent la plupart ou la totalité de leurs ions hydroxyle ; les bases faibles ne libèrent que quelques ions hydroxyle ou n'absorbent que quelques H⁺. Les aliments mélangés à l'acide chlorhydrique de l'estomac brûleraient l'intestin grêle, la partie suivante du tractus digestif après l'estomac, sans la libération de bicarbonate (HCO₃^–), une base faible qui attire les H⁺. Le bicarbonate accepte certains des protons H⁺, réduisant ainsi l'acidité de la solution.

Le concept de pH

L'acidité ou l'alcalinité relative d'une solution peut être indiquée par son pH. Le pH (pH) d'une solution est le logarithme négatif en base 10 de la concentration en ions hydrogène (H⁺) de la solution. Par exemple, une solution de pH 4 a une concentration en H⁺ dix fois supérieure à celle d'une solution de pH 5. C'est-à-dire qu'une solution avec un pH de 4 est dix fois plus acide qu'une solution avec un pH de 5. Le concept de pH commencera à prendre plus de sens lorsque vous étudierez l'échelle de pH, comme celle illustrée dans la Figure 2.17. L'échelle se compose d'une série d'incréments allant de 0 à 14. Une solution avec un pH de 7 est considérée comme neutre — ni acide ni basique. L'eau pure a un pH de 7. Plus le nombre est bas en dessous de 7, plus la solution est acide, ou plus la concentration en H⁺ est grande. La concentration en ions hydrogène à chaque valeur de pH est 10 fois différente de celle du pH suivant. Par exemple, une valeur de pH de 4 correspond à une concentration en protons de 10^–4 M, ou 0,0001 M, tandis qu'une valeur de pH de 5 correspond à une concentration en protons de 10^–5 M, ou 0,00001 M. Plus le nombre est élevé au-dessus de 7, plus la solution est basique, ou plus la concentration en H⁺ est faible. L'urine humaine, par exemple, est dix fois plus acide que l'eau pure, et le HCl est 10 000 000 fois plus acide que l'eau.

Figure 2.17 L'échelle de pH

Tampons

Le pH du sang humain varie normalement de 7,35 à 7,45, bien qu'il soit généralement identifié comme pH 7,4. À ce pH légèrement basique, le sang peut réduire l'acidité résultant du dioxyde de carbone (CO₂) constamment libéré dans la circulation sanguine par les trillions de cellules du corps. Les mécanismes homéostatiques (ainsi que l'expiration du CO₂ pendant la respiration) maintiennent normalement le pH du sang dans cette fourchette étroite. C'est essentiel, car les fluctuations — qu'elles soient trop acides ou trop alcalines — peuvent entraîner des troubles potentiellement mortels.

Toutes les cellules du corps dépendent de la régulation homéostatique de l'équilibre acido-basique à un pH d'environ 7,4. Le corps dispose donc de plusieurs mécanismes pour cette régulation, impliquant la respiration, l'excrétion de substances chimiques dans l'urine et la libération interne de substances chimiques collectivement appelées tampons dans les fluides corporels. Un tampon (buffer) est une solution d'un acide faible et de sa base conjuguée. Un tampon peut neutraliser de petites quantités d'acides ou de bases dans les fluides corporels. Par exemple, s'il y a même une légère diminution en dessous de 7,35 du pH d'un fluide corporel, le tampon dans le fluide — dans ce cas, agissant comme une base faible — liera les ions hydrogène en excès. En revanche, si le pH dépasse 7,45, le tampon agira comme un acide faible et apportera des ions hydrogène.