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  UN ARC EN CIEL DANS UN CHOU


Le vinaigre, de l'acide acétique produit lors de la fermentation du vin par des bactéries, semble avoir été inventé il y a 5000 ans en Mésopotamie et resta le seul acide connu jusqu'au Moyen Age. Diverses substances basiques étaient également connues dans l'antiquité pour leur caractère caustique comme le natron (carbonate et bicarbonate de sodium) ou la chaux dans l'Egypte ancienne. Plus récent que le mot latin "acide" (saveur aigre), le terme d'alcali (base au sens chimique), vient de l'Arabe "cendres végétales" d'où l'on tirait le carbonate de potassium. Entre les XIIème et XVème siècles, les alchimistes découvrirent la préparation des acides minéraux, beaucoup plus puissants : l'acide nitrique (HNO3) ou eau forte, l'acide sulfurique (H2SO4) ou vitriol, l'acide chlorhydrique (HCl) ou acide muriatique connu également comme esprit de sel en raison de sa méthode de préparation par réaction de l'acide sulfurique sur le sel.

Certaines propriétés de ces substances furent rapidement reconnues. Les acides font virer au rouge certains colorants végétaux (teinture de tournesol, de mûre ou de chou rouge) tandis que les bases les font virer au bleu ce qui permit de les différencier.

En 1754, Guillaume Rouelle (1703-1770), un célèbre chimiste dont Lavoisier et Diderot suivirent les cours, montra que les acides et les bases réagissent ensemble et se neutralisent mutuellement en formant un sel neutre, c'est à dire ni acide ni basique.

Lavoisier pensait que tous les acides contenaient de l'oxygène. Il se trompait mais ce n'est qu'en 1810 que sir Humphry Davy (1778-1829), connu également pour la découverte du gaz hilarant (protoxyde d'azote) et l'invention d'une lampe de sûreté pour les mines de charbon, émit l'hypothèse que le "principe acidifiant" était l'hydrogène.

Justus van Liebig (1803-1873), un des plus grands chimistes organiciens allemands, doit surtout sa notoriété à la marque de produits alimentaires qui porte son nom, créée pour exploiter sa méthode de préparation des extraits de viande. Pourtant, il créa le premier laboratoire de chimie destiné à l'enseignement, fit de nombreuses découvertes et fut à l'origine du formidable développement de la chimie allemande au XIXème siècle. Il approfondit la théorie de Davy et montra que tous les acides contiennent de l'hydrogène facilement remplaçable par un métal au cours d'une réaction chimique.

Le physico-chimiste suédois, Svante Arrhenius (1859-1927), élabora en 1887 une théorie plus générale des ions prenant en compte la caractéristique qu'ont les acides en solution de libérer un ion H+. Il reçut le prix Nobel de chimie en 1903 et devint directeur de l'institut du même nom en 1905.

La théorie des acides et des bases fut ensuite affinée, par Brönsted et Lowry en 1923, puis généralisée aux transferts d'électrons par Lewis à la même époque.

Ces notions sont également fondamentales en biologie car le fonctionnement du vivant obéit aux lois physico-chimiques.
Tout d'abord, de très nombreuses substances essentielles des êtres vivants sont des acides ou des bases. Citons, entre autres, les acides aminés constituant les protéines, à la fois acides et bases, les acides gras des membranes biologiques et les acides nucléiques, ADN et ARN.

Ensuite, le milieu intracellulaire comme le milieu intérieur des organismes présente une concentration en ions H+ constante : c'est le pH, notion introduite en 1909 par le chimiste danois Sören Sörensen (1868-1939). Le pH est une échelle allant de 0 à 14 permettant d'exprimer l'acidité d'un milieu. pH 7 correspond à un milieu neutre. Plus le milieu est acide et plus son pH est inférieur à 7. Plus le milieu est basique et plus son pH est supérieur à 7. Sörensen introduisit également dans les laboratoires l'utilisation de solutions tampons dans les expériences de biochimie. Les systèmes tampons sont des couples de substances chimiques capables d'absorber un excès d'acide ou de base sans que le pH du milieu soit sensiblement modifié. Ceci permit d'améliorer grandement la fiabilité des expériences qui ne risquaient plus d'être faussées par des variations intempestives du pH.

Pour les organismes, le maintien du pH autour de 7 est une nécessité vitale car les enzymes ne peuvent fonctionner que dans une gamme étroite de pH. Aussi, les cellules comme les organismes possèdent des systèmes capables de maintenir leur pH constant. Par exemple, les liquides de l'organisme contiennent plusieurs systèmes tampons capables de limiter les variations de pH dans la plupart des cas. Lorsque ces systèmes sont débordés, les reins et l'appareil respiratoire participent à la régulation du pH en éliminant ou en conservant selon les cas les acides produits par le fonctionnement cellulaire.

Enfin, les caractéristiques du milieu de vie représentent des contraintes importantes pour les êtres vivants. Ainsi, le milieu aérien est riche en oxygène et pauvre en gaz carbonique alors que le milieu aquatique est plutôt pauvre en oxygène et riche en gaz carbonique. Aussi, les animaux qui respirent dans l'air ne nécessitent qu'une faible ventilation pour s'approvisionner en oxygène alors que ceux qui respirent dans l'eau nécessitent une forte ventilation. Il en résulte que chez ces derniers le CO2 respiratoire est facilement éliminé contrairement aux premiers. Ceci se traduit par une tendance à l'acidose chez les animaux qui respirent de l'air. En effet, le CO2 lorsqu'il est dissous dans l'eau ou les liquides biologiques est un acide (acide carbonique, H2CO3). Mais, chez les animaux à respiration aérienne, les systèmes tampons du sang sont beaucoup plus développés que chez les animaux qui respirent dans l'eau ce qui permet de contrebalancer cet effet.

Chez les microorganismes le pH du milieu est un facteur déterminant de la répartition. Cette observation est utilisée empiriquement depuis longtemps pour conserver des aliments dans le vinaigre, par exemple. Toutefois, on connaît maintenant des germes dits extrémophiles capables de prospérer dans des milieux particulièrement hostiles, mortels pour la plupart des êtres vivants. C'est le cas de certaines bactéries vivant dans des sources sulfureuses chaudes (autour de 100°C) et extrêmement acides. Elles maintiennent pourtant leur pH intracellulaire autour de 7 en excrétant activement les ions H+. Inversement, d'autres bactéries vivent dans des lacs de soude d'Afrique orientale.

Ces microorganismes sont d'un très grand intérêt pour plusieurs raisons. Pour certains biologistes, ils représentent les descendants directs des premières formes de vie. Ils constituent en effet un règne à part qualifié d'archaebactéries, plus primitif que les autres bactéries connues. D'autre part, leurs enzymes capables de fonctionner à des températures extrêmes sont de plus en plus employées dans les biotechnologies et l'industrie.



EXPERIENCE

OBSERVONS LE pH PAR DIFFUSION EN GEL D'UN ACIDE ET D'UNE BASE

La teinture de chou-rouge est un indicateur de pH (sa couleur dépend du pH). En laissant diffuser un acide et une base dans un gel, on pourra suivre les variations de pH grâce à la couleur du gel.

Matériel nécessaire

Un chou-rouge, un broyeur électrique, une passoire, un filtre à café, gélatine alimentaire, acide chlorhydrique et cristaux de soude (rayon entretien des supermarchés), une boîte de Pétri, 2 compte-gouttes.

Comment procéder ?

Préparation de l'indicateur de pH

Prélever quelques feuilles de chou-rouge, les découper en petits morceaux et les broyer au mixer électrique dans de l'eau. Faire bouillir le broyat quelques minutes, le passer dans une passoire pour éliminer les morceaux puis le filtrer. Récupérer le filtrat de couleur violette.

Préparation du gel de diffusion

Prendre 100 mL de la solution précédente et y ajouter 2 g de gélatine alimentaire coupée en morceaux. Faire bouillir ou passer au micro-ondes jusqu'à dissolution complète de la gélatine.

Verser le mélange dans une boîte sur 0.5 cm d'épaisseur et placer au réfrigérateur jusqu'à solidification. Percer alors 2 puits dans la gélatine à l'aide d'un tube creux d'environ 1.5 cm de diamètre et enlever les rondelles de gel. Les puits doivent être disposés à égale distance du bord le long d'un diamètre de la boîte.

Démarrer l'expérience

Préparer une solution de soude en mélangeant 1 g de cristaux de soude avec 20 mL d'eau.

Avec 2 compte-gouttes différents, remplir un des puits avec cette solution et l'autre avec de l'acide chlorhydrique du commerce. Laisser diffuser pendant une nuit.

Que s'est-il passé ?

L'acide et la base diffusent à travers la gélatine en modifiant la couleur de l'extrait de chou-rouge (jaune à bleu pour la base, rouge à rose pour l'acide). La où ils se rencontrent, ils se neutralisent et la couleur reste violette.

NB L'acide chlorhydrique et la soude sont des produits hautement corrosifs et doivent être maniés avec précaution. Ne pas les laisser à portée des enfants.


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