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CHIMIE ET SPORT

– Le sportif

• L’énergie chimique du sportif

• La fatigue

• L’alimentation

• Le dopage et le dépistage

– L’équipement du sportif

• Les instruments

• La protection

• L’équipement lourd

XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 1

L’énergie chimique du sportif

• La contraction musculaire a besoin d’énergie. Celle-ci est produite lors de la « respiration cellulaire » et stockée sous forme chimique dans les cellules : la molécule qui sert de réserve biologique d’énergie est l’Adénosine Triphosphate ou ATP.


L’énergie chimique du sportif • Les sucres (entre autres) apportent l’énergie nécessaire.

C6H12O6 + 6O2 6 H2O + 6 CO2 + énergie (-2800 kJ/mol)

Réaction très complexe

La première étape est la phosphorylation du glucose qui est couplée à l’hydrolyse de l’ATP :

• Glucose + Pi2- + énergie Glucose–Pi2- + H2O +14 kJ/mol

• ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ +énergie - 46 kJ/mol

P

O

OO

O

H




Électrophile ? Nucléophile ?

O P

O

O

O P

O

O

O P

O

O

CH2

RA

O

H H

O P

O

O

O

H

H

+ P

O

O

O P

O

O

CH2

RA

O

O P

O

O

O

H

+ H

(Pi)

Réaction lente, régulée par une enzyme.


Phosphorylation du glucose

O P

O

O

O

H

O

HO

HO

HO

OH

OH

O

HO

O

HO

OH

OH

P

O

OOH

O

H

XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013

O

HO

O

HO

OH

OH

P

O

OOH2

O

O

HO

O

HO

OH

OH

P

O

O O

+ H2O

6


Question 1

Sucres lents ou rapides : pourquoi cette classification ne repose-t-elle sur aucun fondement scientifique ? Comment se forme le glycogène ? Quel est son rôle?


Vos réponses


8

• 2 ou 3 pages dans un fichier .doc ou .odt.

• Citez vos sources : livres, sites internet,…

• Envoyer à [email protected]

Avant le 12 novembre

mailto:[email protected]


• Question 2

Quels sont les apports des boissons énergisantes ? Intérêts et

inconvénients ?

L'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation

(Anses), a recensé plus d’une centaine de ces boissons sur le marché français.

Elle recommande d'éviter la consommation de boissons dites énergisantes lors d'un exercice physique


La fatigue

• une incapacité à maintenir le travail physique usuel

• Fatigue centrale Défauts de la commande motrice

• Fatigue périphérique Défaillance du mécanisme contractile


La fatigue

• Parmi la vingtaine d’acides aminés naturels apportés par l’alimentation, trois ont des chaines ramifiées.

• Ils sont oxydés dans les muscles.

• La prise de BCAA avant et après un exercice intense permettrait de limiter les douleurs qui apparaissent généralement entre 24 et 48 heures après. Récemment, il a été démontré qu'une supplémentation avant et les trois jours suivant un exercice diminue les douleurs musculaires.


La fatigue

• Accroissement de la synthèse de nombreux neuromédiateurs cérébraux, tels que :

la sérotonine :

[c] dépression - [c] anxiété, perte d’appétit

• Un autre acide aminé, le tryptophane :

Une activité physique régulière diminue l’état d’anxiété. Mais attention au surentraînement !


Sérotonine

12

La fatigue

Question 3 : les courbatures dues à l’effort • L’acide lactique a longtemps été considéré comme le

responsable des courbatures musculaires. Comment se forme-t-il dans les muscles ? Sous quelle forme est-il (acide ou lactate ?) Comment est-il éliminé ?

• Quels sont les causes plus probables des courbatures ?


L’instrument du sportif

• Matériaux traditionnels en forte regression

• Matériaux de synthèse

• Matériaux composites


Cordage de raquette

• De nombreux matériaux peuvent être utilisés :

• le polyester (assez rigide) ;

• les polyamides (nylon®) assez robustes ;

• les fibres aramides (kevlar®) très robustes et rigides ;

• Les fibres de carbone ;

• des fibres métalliques.


http://fr.wikipedia.org/wiki/Nylon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Kevlar

polymérisation

Qu’est-ce qu’un « Polymère »

du grec « pol = poly » plusieurs et « meros = meros » parties

“Enchaînement d’un grand nombre de molécules

liées de façon covalente”

Hermann Staudinger prix Nobel de chimie 1953, pour avoir démontré l'existence des macromolécules qu'il a identifiées

comme étant des polymères.

monomères

16 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013

Zones amorphes Zones cristallines

http://fr.wikipedia.org/wiki/Prix_Nobel_de_chimie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Macromol%C3%A9cules

Les deux types de réaction de polymérisation

Par polyaddition : motif ou unité de répétition Chaque étape est une addition : la double liaison est remplacée par trois liaisons simples. Par polycondensation : motif ou unité de répétition Cette réaction est une addition suivie d’une élimination


H2C CH

Ph

n H2C CH

Ph n

+ 2n-1 HCln n+CC

O

ClO

Cl H2NNH2

nC

HNNH

O

HC

O

Cl

Quelques macromolécules

A BA B

Les macromolécules peuvent avoir des structures très différentes : homopolymères linéaires (A), copolymères statistiques (B), à blocs (C), greffés (D), systèmes réticulés (E) sont quelques-unes des très nombreuses déclinaisons possibles, selon les besoins du chimiste.

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1 unité de répétition

2 unités de répétition

Liens covalents entre les chaînes


Thermoplastiques :

Polymère qui « fond » lorsqu’il est chauffé. A l’état fondu, il peut être moulé. Le phénomène est réversible.

Thermodurcissables :

Polymère fortement réticulé qui « durcit» lorsqu’il est chauffé.

Il est mis en forme par chauffage lors d’une transformation irréversible.

Elastomère : Polymère avec des propriétés élastiques réversibles dans un domaine de température limité : Tv < T < Tfus .

Propriétés des polymères

Les macromolécules sont mobiles

Les chaines sont fortement réticulées


Le kevlar®

Ce matériau fut découvert accidentellement en 1965 par Stephanie Kwolek et Herbert Blades, chercheurs de la société Du Pont de Nemours. Le poly-para-phénylène téréphtalamide


http://fr.wikipedia.org/wiki/1965_en_science

http://fr.wikipedia.org/wiki/Stephanie_Kwolek



http://fr.wikipedia.org/wiki/DuPont

conformations

Conformation s-trans conformation s-cis

21

Rotation impossible autour de la liaison C-N

n

N

C

O

N

HC

O

H

N

H

C

O

n

N

C

O

NH

C

O

H

NCH

O

HH

C

O

N

H

C

O

NH


Un autre facteur de rigidité : les liaisons intermoléculaires

Kevlar

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Liaisons simples rigides

Liaisons intermoléculaires ou liaisons hydrogène

Matériau Résistance à la rupture en MPa

Acier 300 à 1000

Kevlar 3 100

Carbone(THM) 7 000


Les chaines sont orientées par le procédé de fabrication des fibres : le polymère est extrudé dans une filière.



Le kevlar résiste bien aux hautes températures

La ténacité du fil est mesurée en cN par tex = la traction à la rupture (en cN = centinewton) par unité de masse linéique de fil (le tex = grammes pour 1000 m de fil).


Les fibres de carbone



Procédés de fabrication Ex-cellulose Ex-brais Ex-PAN 90 % vapodéposées




http://webpeda.ac-montpellier.fr/wspc/ABCDORGA/Famille/FIBRECARBONE10.html http://www.toray-cfe.com/index.php/2012-06-20-17-12-18/fibre-carbone-toray http://www.pslc.ws/french/pan.htm

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http://webpeda.ac-montpellier.fr/wspc/ABCDORGA/Famille/FIBRECARBONE10.html



http://www.toray-cfe.com/index.php/2012-06-20-17-12-18/fibre-carbone-toray



















Ammoxydation du propène : 2 CH2=CH–CH3 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 CH2=CH–C≡N + 6 H2O. acrylonitrile Polymérisation de l’acrylonitrile :

C

C

H

N

C

H

H

A C

H

H

A C

C

H

N

C

H

H

C

C

H

N

29


Oxydation – réticulation sous O2 200-300° C 1h




Carbonisation de 1200 à 1500°C – 2 à 10 minutes sous N2

Fibres Haute Résistance 90 % de C -8% N -1% H- 1% O

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Graphitisation vers 2000°C Fibres Haut Module 99% de C



Question 4 : La chimie et le ski : planches, casques, combinaisons,.. Mais aussi les canons à neige et les explosifs pour déclencher les avalanches...

33


• Question 5 : Comment la chimie prend soin des pieds du sportif ?

34

• Question 6 : de la balle de golf au ballon ovale

– Quelles sont les contraintes ?

– Les matériaux employés et leur synthèse ?

– Leur mise en forme ?


• Question 7 : Le vélo a-t-il besoin du pétrole ?


Question 8 : Quelle aide la chimie apporte-telle aux sportifs handicapés ?


La protection du sportif

• Le goretex ® • Régulation thermique • ….


• Il faut un tissu qui laisse passer la vapeur d’eau vers l’extérieur mais qui empêche le vent de pénétrer pour ne pas avoir froid.

• Or un matériau qui laisse passer les gaz dans un sens mais pas dans l’autre n’existe pas.

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La protection du sportif : les textiles imper-respirants


• La thermodynamique joue contre le randonneur :

si l’air extérieur est saturé de vapeur d’eau, alors que l’atmosphère est moins humide dans le vêtement, les lois de la physique veulent que l’équilibre s’établisse et donc que la vapeur d’eau pénètre à travers le vêtement !!!


Les tissus déperlants

Contact de l’eau sur un matériau hydrophobe ou hydrophile

q q


• Mais un tissu n’est pas une membrane continue. Si la pression exercée sur la goutte d’eau est suffisante, l’eau liquide peut passer entre les fils.


• Indice Schmerber • La pression moyenne de l’eau de pluie est de 2000 mm

d’eau ( 0,2 bar) • Une bonne protection est obtenue avec des tissus d’indice

supérieur à 10000 ( 1 bar)


• En pratique on utilise un matériau hydrophobe (PET) ou des membranes microporeuses (PTFE) ; elles restent coupe-vent mais le débit de vapeur d’eau évacuées est bien inférieur à la quantité produite par une personne en plein effort.


W. Gore

En 1976, W. Gore développe la première membrane microporeuse en PTFE expansé et hydrophobe, le Gore-tex®.


Question 9 : Dans l’eau :

Comment la chimie participe-t-elle à la protection du nageur et du plongeur ?


La régulation de la température

Lorsqu’un corps pur fond sa température reste constante. Même chose lorsqu’il cristallise. fusion cristallisation

état solide état liquide


Textiles intelligents

• Microencapsulation Emprisonner des liquides ou des solides dans une enveloppe

pour les protéger ou maitriser leur libération.


49

1µm





Produits encapsulés Inflammabilité Efficacité limitée du fait de leur faible chaleur latente de fusion Coût du procédé de microencapsulation élevé Le torse dégage entre 20 et 75 W selon l’activité ; surface d’environ 1 m² Si on dépose 50g de MCP /m², leur fusion absorbe 12000 J soit la chaleur dégagée par le corps pendant 3 à 4 minutes ! Conclusion : une protection contre des pics de chaleur ou de froid de quelques minutes (chambre froide, étuves,…


Question 10

• Que doit la protection

– du coureur de formule 1

– du motard

– du sportif de sports extrêmes

– …

• à la chimie ?



55

• FIN

Documents

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