Etat physique de la valine

Bonjour à tous,

J'ai une question concernant un acide aminé, la valine (Val). On me donne la structure et on me demande quel est l'état physique de la Val, à 25°C, lorsqu'elle est sous sa forme de zwitterion. Après recherches, j'ai trouvé qu'il était sous la forme de cristallin (solide) mais je comprends pas à quoi c'est dû. Je pensais qu'un zwitterion était d'office aqueux car c'est la forme dans l'eau électriquement neutre. Je suppose que c'est lié à des forces ?

Merci d'avance ZDS_M.

Attention à ce que tu dis: ne pas confondre un composé à l'état liquide (c'est à dire visqueux/huileux, dans le cas d'un certain nombre de composés organiques) et aqueux, qui veut dire dissous dans l'eau. Évidement, si tu va dissoudre la valine dans l'eau, elle va à mon avis bien s'y plaire (comme devoir, tu vérifieras si la Valine est toujours un zwitérion à pH 7)

Pierre a totalement raison. Je rajouterais qu'on peut avoir donc par exemple de l'acide éthanoïque (acétique) liquide (100% pur, aussi appelé Acide acétique glaciale [en raison de sa cristallisation rapide vers 10°c si je ne me trompe pas]). Mais aussi de l'acide éthanoïque aqueux. Et tu peux même en écrire une équation !

$\qquad\qquad\qquad\qquad \underrightarrow{H_2O}$
$ H_3C-COOH_{(l)} \qquad\qquad H_3C-COOH_{(aq)}$

Une équation du genre (Je joue avec MathJax). Et aussi attention ammoniaque est une solution aqueuse, tandis que l'ammoniac est un gaz. Qu'on peut utiliser à l'état liquide à l'aide d'azote liquide… Tout cela parait bien compliqué ?

Merci Pierre et Blackline! Effectivement, le pHi est de 6. Cependant, ça répond pas trop à ma question. Comment à partir uniquement de la structure je peux "deviner" que le Val est un cristallin à 25°C sous forme de zwitterion ? Peut-être que c'est la réponse mais alors je comprends pas très bien Ce serait pas plutôt lié à des forces du genre des forces électrostatiques ?

Comment à partir uniquement de la structure je peux "deviner" que le Val est un cristallin à 25°C sous forme de zwitterion ?

Je ne pense pas que ce soit possible.

Même pour des composés simples, cette question est très compliqué. Pour des composés organiques, le simple fait de dire si c'est un solide ou un liquide est déjà compliqué¹ ! D'ailleurs, tu as une formule chimique et tu cherches l'état physique de ton élément.L La chimie ne fait pas tout !

Donc, si quelqu'un a une idée (ou un embryon d'idée) pour différencier un cristal, un solide, ou un autre truc uniquement à partir de la formule chimique, je suis hyper intéressé.

Bah pour le coup on a quand même 2 donneurs de liaisons H et 3 accepteurs et une masse relativement élevée (~117g/mol) donc potentiellement des interactions de Van der Waals, donc ça risque pas d'être un gaz. Et comme en plus on nous parle de zwitterion, à priori liaisons H + interactions électrostatiques (Van der Waals ET ioniques) + ça nous tire bien du côté du solide cristallin.

On peut prédire plus ou moins facilement l'état d'un produit à partir de sa formule, et avec un peut d'informatique, certains iront même jusqu’à te prédire quasiment toutes les propriétés physiques d'une molécule.

Je pensais qu'un zwitterion était d'office aqueux car c'est la forme dans l'eau électriquement neutre.

ça c'est qu'à moitié vrai, Oui, si tu prends la molécule elle est globalement neutre sous forme zwitterionique, mais si tu regardes de plus près, elle est neutre parce qu’il y une charge "+" et une charge "-". Et rien n'interdit ça dans les solides au contraire, regarde le sel de table … les cristaux sont globalement neutres, mais en réalité, c'est Na+ et Cl- bien agencé.

De plus, les interactions ion-ion sont plus fortes que les interaction ion-dipole donc justement non c'est plus dure de solubiliser dans un milieu au pH proche du point isoélectrique.

La première chose que j'ai à dire, c'est que je suis tout à fait d'accord avec Gabbro: impossible de sortir une réponse définitive.

Ceci dit, tu peux quand même avoir quelques idées en regardant la formule et à l'aide de ton vécu en chimie. Et pour parler de ça, je vais utiliser quelques exemples:

• Eau vs Méthane: il est évident que l'eau étant capable de faire des ponts hydrogènes, son point d'ébulition est beaucoup plus élevé. Dès lors, je dirais que la présence de pont hydrogène doit au moins te faire oublier l'état gazeux
• Methane vs éthane vs propane vs butane vs … : ici, je parle simplement de l'augmentation de la taille de la molécule. Sans entrer dans les détails, ce qui joue ici, c'est toutes les forces dites de "van der Waals": plus la molécule est longue, plus elle peut faire d'interaction de van der Waals, plus son point d'ébulition (et de fusion) s'élève. Preuve en est, le méthane est un gaz à température ambiante, le butane (celui des bonbonnes de gaz) devient quasiment liquide quand il gèle, et au dessus de 5 carbones, on a des liquides, voire même des solides. Une règle très idiote mais qui marche bien quand on y regarde pas de trop près est de dire que plus la masse molaire du composé augmente, plus son point d'ébulition/fusion augmente. Il suffit de regarder les plastiques comme le polypropylène: c'est solide en toute occasions (en fait, le polymère "fond" puis se dégrade)
• acetonitrile vs propyne: dans la case "interaction", il y a bien entendu toutes les interactions due à la présence de moment dipolaires forts. Dès que t'as un moment dipolaire important, tes molécules s'aligne et interagissent entre elles, boum, les températures de fusions/ébulitions augmentent.
• Benzène vs phénantrène : pas oublier le $\pi$-stacking et ces joyeusetés.
• Et j'en oublie probablement.

De là à dire "cette molécule sera solide" ou "cette molécule sera liquide", en jouant simplement avec ce genre d'informations, probablement pas moyen sauf dans les cas les plus simples. Parce que il y a d'autres choses qui interviennent: entropie due à différentes conformations, conjugaison, machins intra-moléculaires, clusters, … Bref c'est le bordel.

Pire encore, c'est le terme "cristal". Parce que l'état solide, c'est beaucoup de chose. Un solide peut être amorphe (genre le charbon ou à peut près n'importe quel bout de caillou) ou cristallin (le diamant). Et autant des molécules cristallisent très bien (les ions, par exemples, font très bien ça, genre NaCl et dérivé), autant certaines ne cristallisent absolument pas, et ça ennuie bien les chimistes (sachant que l'analyse de cristaux par diffraction de rayon X est actuellement une des seules techniques, si pas la seule¹ qui permet de "voir" la position des atomes). Et personne n'est capable de dire pourquoi, ni si une molécule est capable de cristaliser à l'avance. Pire que ça, pour une molécule donnée, il peut exister plusieurs structures cristallines en fonction des conditions externe. Par exemple, il n'existe pas qu'un seul type de glace, il en existe, de tête, 9 (!).

Dès lors, je ne parierai absolument pas sur la cristallinité d'un composé, je me contenterai d'un vague "oui, c'est un zwitérion, donc il peut faire des interactions électrostatiques (et éventuellement des ponts H), donc ses points d’ébullition et de fusions sont élevés, donc c'est probablement un solide". Point

Ou alors, les mecs, c'est des magiciens

EDIT: du coup, je suis un peu moins catégorique qu'Akio. Ça doit être mon coté chimiste septique qui remonte (désolé, je suis en stage dans un labo ou ils travaillent sur des structures cristallographiques, donc voilà)

EDIT2, pour @Blackline. Comme ça :

1

$$\ce{CH3-COOH_{(l)} ->[H2O] CH3-COOH_{(aq)}}$$

Ce qui donne:

$$\ce{CH3-COOH_{(l)} ->[H2O] CH3-COOH_{(aq)}}$$

(j'ai fait installer un paquet spécial chimie, mhchem )

Merci beaucoup à vous tous Ca a l'air d'un domaine, en Chimie, où il y a encore pleins de choses à trouver/améliorer ! Intéressant ! Je dirai à mon prof. que sa question est légèrement ambigue mais je pense qu'il s'attend effectivement à la réponse que Pierre propose dans son dernier message car, étant en rhéto/Terminale, la Chimie ne doit pas être encore d'une grande précision (c'est bien dommage d'ailleurs…).

Encore merci !

Merci beaucoup Pierre ! C'est le genre de raisonnement qu'on n'a pas l'habitude d'avoir dans ma branche, où les gens bossent presque exclusivement sur les matériaux amorphes, et bien souvent les matériaux vitreux. On devrait, car ça à l'air qualitativement plutôt bon, et ça apporte quand même pas mal d'info.

Le truc drôle en passant : on considère les « solide amorphes » comme des liquides ! Des liquides bizarres, mais des liquides.

Aussi loin que je puisse réfléchir, je ne connais pas de méthode pour estimer ce genre de chose. Je sais que dans certains cas très précis, il existe des modèles empiriques (des formules avec des paramètres devinés à partir d'observation), qui fonctionnent, mais qui ne veulent pas dire grand chose (entendre par là que c'est juste faire en sorte que la formule corresponde à la réalité, même si les paramètres n'ont pas de sens). Je sais aussi qu'il est possible de "deviner" des structures cristallines avec des approches type Monte Carlo (en gros, générer des millions de possibilité puis trier tout ça et en ressortir des structures cohérentes), je sais que c'est également qu'on devine des propriétés de liquides et solides de la même manière, mais de ce que j'ai pu en voir, on part toujours du fait qu'on sais très bien la phase qu'on simule.

Très très naïvement, et sans avoir d'idée sur l'exacte implémentation de ce genre de chose, je jouerais sur le calcul des $\Delta{G}$ pour les différentes phases, et à mon avis, ça devrait fonctionner. Mais ça reste une pensée d'un mec pour qui il est 9h du matin un samedi

Merci beaucoup Pierre ! C'est le genre de raisonnement qu'on n'a pas l'habitude d'avoir dans ma branche, où les gens bossent presque exclusivement sur les matériaux amorphes, et bien souvent les matériaux vitreux. On devrait, car ça à l'air qualitativement plutôt bon, et ça apporte quand même pas mal d'info.

Ça dépend beaucoup de ton parcours scolaire/professionnel. J'ai l'habitude d'avoir ce genre de raisonnement, parce que j'ai été entraîné à le faire. Après, comme je l'ai dit, y'a des cas ou ça ne fonctionne pas, mais ça donne quand même une petite idée

Après, l'approche doit être totalement différente, et à mon avis, doit fonctionner aussi. Très vite fait, tu saurais développer un peu ? (ça m'intéresse )

Ceci est très intéressant, d'un point de vue totalement subjectif. Déjà, parce que à chaque fois que je demande "pourquoi", j'ai une raison différente. La dernière en date, et corrigez moi si j'ai faux mais je l'aime bien, c'est "oui, mais le matériaux est isotrope (aka même réponse du matos quelque soit le sens d'application, en gros), comme les liquides". En attendant, les personnes à qui je dis que le verre est un liquide sont toujours pas convaincues

Sur l'histoire de considérer les solides (que ce soit du verre ou pas, le problème est le même) comme des liquides, c'est un peu piégeur. Souvent, on fait l'association état de la matière et comportement rhéologique (je suis près à parier qu'en maternelle ou en primaire, on vous a dit que les liquides prenaient la forme de leur récipient, mais pas les solides ; on peut aussi voir la remarque de pierre "un composé à l'état liquide c'est à dire visqueux/huileux").

Or, considérer que quelque chose est visqueux ou infiniment visqueux, ce n'est qu'une question de l'échelle de temps dans laquelle on se place. Par exemple, le manteau terrestre (pourtant complètement cristallin, pas vitreux) s'écoule sur des échelles de temps de l'ordre du million d'années (une preuve évidente est la rotondité de la Terre) mais parait infiniment visqueux quand on tient un échantillon dans la main. Autre exemple, les glaciers qui coulent littéralement à l'échelle de l'année. Pourtant, à côté du pastis, les glaçons n'ont pas l'air de s'étaler très vite.

Utiliser l'isotropie, ça me parait un peu foireux aussi. Les réseaux cubiques sont isotropes au premier ordre, pourtant j'aurais tendance à dire intuitivement que la pyrite ou le sel de table sont des solides.

J'aurais tendance à dire que pour caractériser l'état solide ou liquide, il faut regarder la liberté des molécules comparativement à celle de la situation hypothétique où elles sont isolées. Si les molécules ne changent pas de place à l'échelle de temps caractéristique de l'agitation thermique, on a un solide. Si elles peuvent bouger les unes par rapport aux autres dans cette échelle de temps, on a un liquide. Et si elles bougent à la même vitesse, on a un gaz.

Selon cette définition, le verre est tout ce qu'il y a de plus solide. M'enfin, c'est clairement débattable… Je ne sais pas si il y a une sorte de recommandation "officielle" admise par la majorité des physiciens pour la définition des états de la matière sans l'imposer de façon un peu arbitraire sur un diagramme de phase pour chaque espèce. Ni même si faire une distinction a un sens physique réel.

J'aime bien ce que tu dis, @dri, parce que c'est à peu de chose près l'idée que je me fais de phase solide/liquide/gazeuse (pour moi, il manque juste une notion de température/pression quelque part, ou c'est ce que tu regroupes dans "agitation thermique").

À noter que d'après l'article de Wikipedia, tout le monde n'est pas d'accord non plus (après, c'est Wikipédia, hein )

On a répondu le temps que j'écrive mon pâtée.

Si les molécules ne changent pas de place à l'échelle de temps caractéristique de l'agitation thermique, on a un solide.

Les comportement hors-équilibre dans le verre sont très important. Le verre est donc bel et bien un liquide.

Pour ma part, je dirai que la matière est tout simplement trop complexe pour être mis dans des petites boites. Si tu ne t’intéresses qu'à la résistance au cisaillement, le verre est un solide. Si c'est le comportement interne, c'est un liquide. Tout dépend de l'échelle.

Édit :

Les réseaux cubiques sont isotropes au premier ordre

Si je regarde selon le réseau, je vais avoir un une molécule tout les maille du réseau. Si je regarde selon la diagonale, ce sera tout les $\sqrt{3}$. À titre personnel, j'appelle ça un truc pas du tout isotrope. Avec des symétries ou des régularité, d'accord, mais pas isotrope. Un truc disposé parfaitement aléatoirement est isotrope.

Pour situer, je fais de la physique des systèmes complexes. On a donc une approche non-microscopique. Typiquement, on considère un mélange d'eau et de truc. Ce truc sera ce que tu veux, mais définie par ses propriétés physique. Par exemple, ce sera des sphères dures (incompressibles, indéformables), ou bien des filaments modélisés par des ressorts…

Ce qui nous intéresse est de savoir dans quel mesure le comportement de notre mélange diffère de celui de l'eau seul. Ça dépend principalement de la proportion de truc, de la température et de la nature du truc.

Exemple : la bave est liquide, mais résiste (dans une certaine mesure) à la gravité ; elle a tendance à former des filaments plutôt que de se séparer. C'est un comportement typique quand le truc est un polymère. Le mélange gagne ces propriétés même à très faible concentration.

Pour trouver un comportement plus quantitatif, on prend un truc plus simple, à savoir des sphères dures. Là, ça peut faire des matériaux vitreux. À faible concentration, on a une viscosité un peu plus importante. Quand la concentration augmente, la viscosité croit très fortement et diverge à forte concentration.

Rappel : si on veut remplir l'espace avec des billes, on va laisser des trous. Donc la proportion maximum de matériaux dures dans un mélange eau+sphère n'est pas 1.

En fait, notre mélange peut avoir deux comportements différents (la différentiation se fait entre autres avec la différence de taille entre les petites et les grosses sphères) , soit il cristallise, soit il devient trop dense et se fige. Il n'est alors plus possible d'augmenter la concentration, et pourtant on est encore loin de la concentration maximal (ordre de grandeur : 60% de matériau dure pour atteindre un état vitreux, 75% au maximum, la cristallisation est possible dès 55%). Sa viscosité est trop forte pour que l'on observe un écoulement, et pourtant, à la faveur de mouvements collectifs, ça bouge à l'intérieur.

En fait, ça n'a pas grand chose a voir avec un solide : ça résiste aux forces qui lui sont appliqué (comme un solide), MAIS :

• c'est isotrope ;
• la transition n'est pas thermodynamique (pas de paramètre d'ordre, paramètre physique variables…) ;
• on peut mesurer une viscosité (très très très forte, bien sûre);
• les particules se déplacent au sein du matériau ;
• le matériau est intrinsèquement hors d'équilibre. Les effets du vieillissement en particulier sont très importants (typiquement, si on applique des forces faibles dans un sens, puis dans l'autre (pour revenir à l'état de départ), plein de fois, la viscosité va petit à petit augmenter) ;
• les propriétés vis-à-vis de l'entropie ne sont absolument pas les mêmes que celles d'un solide.

Points de suspensions.

Autant te dire que l'approche avec Van Der Waals, le truc que je mets sous le tapis dès la deuxième ligne, est inhabituelle de mon point de vue !

J'ai fait quelques raccourcis, car ça risquait d'être un peu long sinon.

Les comportement hors-équilibre dans le verre sont très important. Le verre est donc bel et bien un liquide.

Qu'est-ce que tu mets sous le terme de "comportement hors-équilibre" ? Et "très important" ? Par rapport à quoi ?

Si je regarde selon le réseau, je vais avoir un une molécule tout les maille du réseau. Si je regarde selon la diagonale, ce sera tout les $\sqrt 3$. À titre personnel, j'appelle ça un truc pas du tout isotrope. Avec des symétries ou des régularité, d'accord, mais pas isotrope. Un truc disposé parfaitement aléatoirement est isotrope.

Un réseau cubique est isotrope pour pas mal de propriétés : optiques, dilatation thermique, conductibilité thermique, susceptibilité magnétique… Donc comme de dire si le verre est solide ou liquide, ça dépend de ce qu'on regarde…

J'allais justement réagir là dessus en disant que les petites boites en questions étaient visible sur un diagramme de phase et qu'il y avait rien de discutable dans une transition de phase… Puis j'ai vu ce sur quoi tu travaillait

C'est très intéressant, mais effectivement, comme tu le dis très bien, ce n'est pas une approche microscopique (d'ailleurs, je doute qu'une approche microscopique puisse t'aider dans ce cas là, en tout cas par pour tout). Les chimistes ont cette croyance qu'on peut tout expliquer en regardant la molécule, eh bien ce genre de cas démontre que c'est pas toujours le cas (la viscosité, par exemple, dépend de plein de trucs comme tu le dis très bien). Après, en regardant de quoi sont composées tes "billes" (qui sont probablement des polymères), je pourrais probablement dire deux ou trois trucs avec les interactions solides/liquides, mais une fois encore, pas sur que ça aide dans tout les cas. Quand à la modélisation de trucs pareils, à part s'intéresser à la modélisation d'interfaces (très intéressante en soi), bonjour la difficulté

Ce qui est intéressant ici, c'est qu'à part qu'on est dans le HS le plus total, on a trois "visions" qui s'affrontent (physique, géo, chimie). C'est là qu'on se rend compte aussi qu'on parle pas forcément le même langage avec les mêmes mots, et que quand même, on prend ce qui nous arrange bien

Qu'est-ce que tu mets sous le terme de "comportement hors-équilibre" ?

Typiquement, les « hétérogénéités dynamiques ». Certaines zones du matériaux ont des temps de relaxation court, inférieurs à la seconde, d'autre très long, supérieur à la centaine de seconde. Ces hétérogénéités ne sont pas fixes, c'est-à-dire que leur emplacement, taille… varient dans le temps. Leur description met en jeu des phénomènes de mouvement collectif.

La conséquence de ça, c'est que le matériau change de configuration microscopique, il relaxe très lentement vers un état plus stable. On observe des phénomènes de vieillissement : les propriétés du matériau (entre autre la viscosité) dépend du temps depuis lequel il a été préparé. Attention, je ne parle pas d'échelle, mais d'un temps d'attente : tu prends une vitre, tu regardes sa viscosité sur un temps T, tu attends trois plombes, tu regardes à nouveau sa viscosité dur le même temps T, tu as un résultat différent.

Ce qui est intéressant ici, c'est qu'à part qu'on est dans le HS le plus total, on a trois "visions" qui s'affrontent (physique, géo, chimie).

Pas qui s'affrontent, mais qui se complètent. Ce qui les rend d'autant plus intéressantes !

Il est clair que je ne travaille pas aux mêmes échelles de longueur que toi, ni qu'aux mêmes échelles de temps que @dri1.

Moi, je joue avec des tas de sable.

OK, je comprends mieux. Mais tout de même, ces mouvements moléculaires restent en moyenne très lent devant ceux de l'agitation thermique, non ?

Je vous donne juste la correction que mon prof. nous a mis en ligne. Il attendait ceci : "Sous forme de zwitterion, la valine est à l’état cristallin (accepter « état solide »).Des forces d’attraction électrostatiques (forces de Coulomb) existent entre - COO- d’un zwitterion et - NH3+ d’un autre zwitterion, ce qui génère des forces de cohésion élevées."

Je reste convaincu que vos réflexions sont plus poussées et justes. Un peu étrange comme question donc… Ceci dit, je me suis un peu penché sur les acides aminés naturels et je me suis rendus compte qu'ils étaient pour la plupart présent à l'état solide à température ambiante et à l'état pur.

Encore mille fois merci !

À @dri1: Pas forcement.

Calculons :

Le temps de relaxation associé au mouvement brownien est $\tau = \frac{d^2}{D}$ (construction par analyse dimensionnel), où $D$ est la constante de diffusion brownienne, en m²/s, et vaut typiquement $\frac{k_B T}{3\pi\mu d}$, avec $\mu$ la viscosité du fluide ($10^{-3}$ pour l'eau) , et $d$ la taille des particules (entre 1 et 100 micromètre).

On a alors :

$$ \tau = \frac{d^2}{D} = \frac{3\pi \mu d^3}{kT} \approx 9 * 10^{-3} * \left(10^{-6}\right)^{3} 10^{23} (1/3) 10^{-2} \approx 3s $$ Ou bien, pour 100 micromètres, $\approx 10^{6}s$ (mouvement brownien négligeable).

Si tes particules sont petites (de l'ordre du micromètre), ces temps peuvent peuvent être du même ordre de grandeur que le temps brownien.

Je lisais que le temps de relaxation des zones rapides était un peu moins que la seconde.

Euh ouais… Mais là tu as calculé le temps brownien pour ton verre, il est logique que tu retombes sur le temps de relaxation moyen puisque c'est exactement ce que tu as calculé. Le critère que je proposais, c'est par rapport à un gaz parfait. Et dans ce cas, je pense que les molécules de verre sont carrément immobiles par rapport à un gaz parfait de même composition.

De ce point de vue là, OK. C'est lent par rapport à un liquide qui coule ou un gaz. Après, ces mouvements, même faibles, ont des propriétés qui peuvent être importantes, principalement via le vieillissement.

J'ai retrouvé quelques chiffres : le temps de relaxation d'une contrainte en fonction du temps t écoulé depuis l’application de la déformation varie de plusieurs ordre de grandeur selon le temps depuis lequel la contrainte a été appliquée (rapport 100 pour un temps d'application passant de 10 à 10'000).¹

C'est donc potentiellement très important.