Principe

Un être vivant peut être comparé à une machine qui brûle des molécules organiques pour en extraire l'énergie. La quantité de dioxygène utilisé par unité de temps et par unité de masse de l'animal (intensité respiratoire, IR) permettra de calculer la dépense énergétique de l'animal à partir du coefficient thermique du dioxygène.

Réalisation pratique de la mesure

Principe de la méthode (méthode de Haldane)

Un animal (ici, une Souris) est placé dans une enceinte balayée par un courant d'air dépourvu de dioxyde de carbone (CO₂). L'air rejeté par l'animal passe dans 2 flacons successifs contenant de l'eau de chaux (solution de Ca(OH)₂). Lorsque le CO₂ est en solution dans l'eau, il forme un acide, l'acide carbonique (H₂CO₃). Le dihydroxyde de calcium étant une base, une réaction acide-base se produit avec formation d'un sel qui précipite (carbonate de calcium insoluble) et d'eau.

En titrant l'eau de chaux avant la mesure, puis de nouveau après qu'elle a fixé le CO₂ respiratoire, on déterminera par différence la quantité d'acide carbonique qui a réagi avec l'eau de chaux, c'est à dire la quantité de CO₂ respiratoire qui a été rejeté par la Souris pendant une durée déterminée. On en déduira le volume de dioxygène qui a été absorbé pendant ce même temps et la dépense énergétique sera calculée à partir du coefficient thermique du dioxygène. On tiendra compte de la masse de la Souris dans l'expression des résultats.

Protocole

Une trompe à eau produit une dépression qui "aspire" l'air dans le système. L'air traverse 5 flacons successifs. Flacon 1 : potasse. Flacon 2 : eau de chaux. Flacon 3 : matériel vivant. Flacons 4 et 5 : eau de chaux.

L'eau de chaux des flacons 4 et 5 doit tout d'abord être titrée (pour connaître la quantité d'acide avec lequel elle peut se combiner). Pour cela, on utilise une solution d'acide dont la concentration est calculée de façon à ce qu'il réagisse avec l'eau de chaux exactement comme le dioxyde de carbone. L'acide choisi est un acide organique, l'acide oxalique, (COOH)₂, car c'est un diacide comme l'acide carbonique. La masse molaire du CO₂ est 44 et celle de l'acide oxalique est 126. Une mole de CO₂ (44 g) et une mole d'acide oxalique (126 g) neutralisent de la même façon une mole de dihydroxyde de calcium. En utilisant une solution d'acide oxalique à 2.8 g.L^-1 (126/44), un mL de cette solution neutralisera autant d'eau de chaux qu'un mg de CO₂.

En mesurant le volume d'acide oxalique nécessaire pour neutraliser un volume déterminé d'eau de chaux, on saura quelle masse de  CO₂ est nécessaire pour neutraliser ce volume. Lorsque ce même volume d'eau de chaux aura réagi avec le CO₂ respiratoire, une nouvelle titration par l'acide oxalique nous donnera par différence la masse de CO₂ qui a été fixée par l'eau de chaux au cours de l'expérience.

Titration du dihydroxyde de calcium (eau de chaux)

Remplir la burette de Möhr avec la solution d'acide oxalique. Verser 20 mL d'eau de chaux soigneusement mesurés dans un bécher. Ajouter une goutte de phénolphtaléine (indicateur de pH, rose en milieu basique et incolore en milieu acide). Faire couler l'acide goutte à goutte (en agitant) jusqu'à décoloration. Soit V le volume d'acide versé (en mL). Noter le résultat sur le tableau.

Après l'expérience, prélever 20 mL d'eau de chaux dans le flacon 4 et refaire la titration. Soit V' le volume d'acide versé pour atteindre la neutralisation. Noter le résultat.

Prélever 20 mL d'eau de chaux dans le flacon 5 et refaire une titration. Soit V'' le volume d'acide versé pour atteindre la neutralisation. Noter le résultat.

V - V' et V - V'' correspondent respectivement à la masse de CO₂ fixée dans les flacons 4 et 5.

Résultats

On fera la moyenne des résultats individuels pour en déduire la masse totale puis le volume de CO₂ fixé en admettant qu'une mole de CO₂ occupe un volume de 24 L dans les conditions de l'expérience (22.4 L à 0°C à la pression atmosphérique). Ne pas oublier que les flacons 4 et 5 contiennent chacun 250 mL d'eau de chaux.

En déduire alors le volume de dioxygène absorbé par l'animal au cours de l'expérience pour calculer l'intensité respiratoire et la dépense énergétique (on prendra 20 kJ comme coefficient thermique du dioxygène).

L'intensité respiratoire sera donnée en mL.min^-1.g^-1

La dépense énergétique de l'animal sera donnée en J.h^-1.g^-1 et on calculera également la puissance énergétique dissipée par kg en watt (1 W = 1 J.s^-1).

La même mesure sera recommencée sur le même animal placé dans une enceinte froide de façon à apprécier l'effet de la température et les mêmes calculs seront effectués pour calculer IR, dépense énergétique et puissance énergétique.

COMPTE-RENDU

1) Transcrire l'ensemble de vos résultats de façon claire et ordonnée : données expérimentales mesurées et résultats des calculs en écrivant les formules employées pour les calculs et sans oublier les unités.

2) Comparer les résultats obtenus individuellement avec la moyenne de l'ensemble des groupes. Dans quel but fait-on la moyenne des résultats individuels ?

3) Ecrire l'équation bilan de la réaction chimique qui se produit dans le flacon 1 et en déduire le rôle de ce flacon dans le montage.

4) Ecrire l'équation bilan de la réaction chimique qui se produit dans les flacons 4 et 5 au cours de l'expérience.

5) A quoi sert l'énergie dépensée au cours de la première expérience ? Justifier.

6) Calculer l'augmentation de la dépense énergétique au cours de la seconde expérience.

7) A quoi est utilisé ce surplus d'énergie ? Justifier.

8) Si à la place d'une Souris (animal homéotherme) on avait utilisé un animal poïkilotherme (dont la température ne dépend que de celle de l'environnement), comment aurait varié la dépense énergétique entre les deux expériences ? Justifier.

9) Chez un animal homéotherme, quelles conditions autres qu'une variation de la température pourraient entraîner une augmentation de la dépense énergétique ? Justifier.