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.
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 2
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
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L’énergie chimique du sportif
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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.
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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
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O
HO
O
HO
OH
OH
P
O
OOH2
O
O
HO
O
HO
OH
OH
P
O
O O
+ H2O
6
L’énergie chimique du sportif
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?
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Vos réponses
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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
L’énergie chimique du sportif
• 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
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 9
La fatigue
• une incapacité à maintenir le travail physique usuel
• Fatigue centrale Défauts de la commande motrice
• Fatigue périphérique Défaillance du mécanisme contractile
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 10
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.
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 11
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 !
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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 ?
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 13
L’instrument du sportif
• Matériaux traditionnels en forte regression
• Matériaux de synthèse
• Matériaux composites
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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.
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 15
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
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
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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.
18
1 unité de répétition
2 unités de répétition
Liens covalents entre les chaînes
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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
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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
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 20
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
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
Les chaines sont orientées par le procédé de fabrication des fibres : le polymère est extrudé dans une filière.
23 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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).
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Les fibres de carbone
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Les fibres de carbone
Procédés de fabrication Ex-cellulose Ex-brais Ex-PAN 90 % vapodéposées
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Les fibres de carbone
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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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Les fibres de carbone
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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
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Les fibres de carbone
Oxydation – réticulation sous O2 200-300° C 1h
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Les fibres de carbone
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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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Les fibres de carbone
Graphitisation vers 2000°C Fibres Haut Module 99% de C
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XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
Question 4 : La chimie et le ski : planches, casques, combinaisons,.. Mais aussi les canons à neige et les explosifs pour déclencher les avalanches...
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XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
• Question 5 : Comment la chimie prend soin des pieds du sportif ?
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• Question 6 : de la balle de golf au ballon ovale
– Quelles sont les contraintes ?
– Les matériaux employés et leur synthèse ?
– Leur mise en forme ?
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 35
• Question 7 : Le vélo a-t-il besoin du pétrole ?
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 36
Question 8 : Quelle aide la chimie apporte-telle aux sportifs handicapés ?
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 37
La protection du sportif
• Le goretex ® • Régulation thermique • ….
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013 38
• 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
XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
• 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 !!!
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Les tissus déperlants
Contact de l’eau sur un matériau hydrophobe ou hydrophile
q q
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• 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.
42 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
• 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)
43 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
• 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.
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W. Gore
En 1976, W. Gore développe la première membrane microporeuse en PTFE expansé et hydrophobe, le Gore-tex®.
45 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
Question 9 : Dans l’eau :
Comment la chimie participe-t-elle à la protection du nageur et du plongeur ?
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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
47 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
Textiles intelligents
• Microencapsulation Emprisonner des liquides ou des solides dans une enveloppe
pour les protéger ou maitriser leur libération.
48 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
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,…
53 XXXes Olympiades Nationales de la Chimie - Toulouse- André Gilles - octobre 2013
Question 10
• Que doit la protection
– du coureur de formule 1
– du motard
– du sportif de sports extrêmes
– …
• à la chimie ?
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