Transformation d'une moléculeExercice type bac

Sucre et électrons

Et si l'électricité prenait désormais sa source dans la nature grâce aux biopiles… Depuis dix ans, glucose, bactéries ou plantes inspirent les chercheurs en quête d'une source d'énergie alternative et propre.
Les avancées dans ce domaine se multiplient notamment pour des applications biomédicales nécessitant de faibles puissances électriques (alimentation d'un pacemaker par exemple).

Biopile à glucose implantable dans le corps humain

Biopile à glucose implantable dans le corps humain

En 2010, des chercheurs ont ainsi réussi à mettre au point une pile uniquement alimentée par le glucose de l'organisme. Ce dispositif de quelques millimètres permet au dioxygène et au sucre présents dans différents liquides physiologiques du corps de réagir. Cette réaction, qui génère des électrons, conduit à la production de courant par la pile. Le procédé, totalement naturel, est basé sur l'oxydation du glucose par le dioxygène, avec l'utilisation d'enzymes qui recouvrent les électrodes.

D'après le site www.lejournal.cnrs.fr

Schéma du principe de fonctionnement de la biopile au glucose

Schéma du principe de fonctionnement de la biopile au glucose

D'après Frédéric Barrière, Université de Rennes 1

Réaction d'oxydation à l'anode : \ce{C6H12O6 - \gt C6H10O6 + 2 H+ + 2e-}

Réaction de réduction à la cathode : \ce{O2 + 4 H+ + 4e- - \gt 2H2O}

Données :

  • Masses molaires atomiques : M\left(H\right) = 1,0 g.mol−1 ; M\left(C\right) = 12,0 g.mol−1; M\left(C\right) = 12,0 g.mol−1
  • Électronégativité selon l'échelle de Pauling : \gamma\left(H\right) = 2,2 ; \gamma\left(C\right) = 2,6 ; \gamma\left(O\right) = 3,4
Partie I

Le glucose

Le glucose existe dans la nature sous deux formes : une forme linéaire, le D-glucose, et deux formes cycliques : le \alpha -D-glucopyranose et le \beta -D-glucopyranose.

Forme linéaire du glucose

La représentation de Cram du D-glucose est donnée ci-dessous.

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Forme cyclique du glucose

La représentation de Cram du \beta -D-glucopyranose est donnée ci-dessous.

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Les étapes du mécanisme de cyclisation permettant de passer de la forme linéaire du D-glucose à la forme cyclique, le \beta -D-glucopyranose, sont données ci-après.

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Partie II

Rôle de l'enzyme glucose oxydase dans l'oxydation du glucose

Pour illustrer les effets de l'enzyme glucose oxydase, des élèves réalisent quatre suivis cinétiques de l'oxydation du glucose par le dioxygène. Ils réalisent quatre mélanges identiques de solution de glucose et de dioxygène, le dioxygène étant le réactif limitant.

Dans chaque mélange, l'enzyme est introduite avec des concentrations
différentes : c_1 = c, c_2 = \dfrac{c}{2}, c_3 = \dfrac{c}{4}, c_4 = \dfrac{c}{8}, où c est une concentration de
référence en enzyme.

Les courbes donnant la concentration en dioxygène dans le milieu en fonction du
temps pour chaque expérience sont représentées ci-après.

Cinétique enzymatique et concentration en enzyme (glucose oxydase)

Cinétique enzymatique et concentration en enzyme (glucose oxydase)

(d'après le site académique d'Orléans-Tours)

Partie III

Durée de fonctionnement de biopiles

L'obstacle majeur d'un développement à large échelle des biopiles reste leurs dimensions. Pour alimenter de gros appareils, il faut en effet en associer un grand nombre.
À titre d'exemple, l'entreprise Sony a commercialisé un lecteur mp3 nécessitant une puissance d'alimentation égale à 150 mW alimenté par une pile composée de sucre et d'eau. La pile avait une longueur d'environ 20 cm (voir photo ci-dessous) et une réserve de 100 g de glucose.

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www.sony.net

Données :

  • Énergie libérée par la réaction du glucose et du dioxygène dans la biopile : 150 kJ par mole de glucose oxydé
  • Énergie E (en joule) reçue par le lecteur mp3 pendant la durée t (en seconde) : E = P \times \Delta t P (en watt) est la puissance d'alimentation