Masse moléculaire

La masse moléculaire est le rapport entre la masse d'une molécule et l'unité de masse des atomes : « uma » (équivalente à un douzième, soit ¹⁄₁₂, de la masse d'un atome de carbone 12), elle est donc sans unité.

Elle peut être obtenue par l'addition de la masse atomique de chaque atome de la molécule multipliée par leur indice numérique dans la formule brute ou mesurée expérimentalement par spectrométrie de masse.

La masse molaire est équivalente à autant de grammes qu'il y a d'unités dans la masse moléculaire.

Pour les composés qui ne contiennent pas de molécules (composés ioniques, alliages métalliques, la quasi-totalité des minéraux), on parle de masse formulaire ou masse de l'unité de formule.

Masse moléculaire des polymères

Un polymère étant constitué d'une distribution de chaînes de longueurs différentes, on doit parler de masse moléculaire moyenne :

Soit :

x le degré de polymérisation ;

n_x le nombre de macromolécules de degré de polymérisation x ;

M_x la masse de telles macromolécules ;

M₀ la masse d'un monomère,

on définit la masse moléculaire moyenne en nombre :

{\bar {M}}_{n}={\frac {\sum n_{x}M_{x}}{\sum n_{x}}}

De même, on définit la masse moléculaire moyenne en poids :

{\bar {M}}_{w}={\frac {\sum n_{x}M_{x}^{2}}{\sum n_{x}M_{x}}}

N.B. : dans le cas de polymères isomoléculaires, ces deux masses sont identiques.

On définit également la moyenne de centrifugation (ou de sédimentation) :

{\bar {M}}_{z}={\frac {\sum n_{x}M_{x}^{3}}{\sum n_{x}M_{x}^{2}}}

On définit l'indice de polydispersité par :

I={\frac {{\bar {M}}_{w}}{{\bar {M}}_{n}}}

Les propriétés des polymères dépendent grandement de ces deux masses moyennes :
Des propriétés mécaniques élevées nécessitent une ${\bar {M}}_{n}$ élevée tandis qu'une mise en œuvre aisée demande une ${\bar {M}}_{w}$ modérée.

Ces masses peuvent être déterminées par chromatographie d'exclusion stérique (SEC) aussi appelée chromatographie sur gel perméable (GPC).

Masse moléculaire des protéines

La masse moléculaire des protéines peut être déterminée selon l'une des méthodes suivantes[1] :

méthodes chimiques : dosage d'un élément n'existant qu'à un petit nombre d'exemplaires dans la protéine ;
méthodes physiques :
- mesure de la pression osmotique,
- électrophorèse sur gel de polyacrylamide en présence de dodécylsulfate de sodium,
- chromatographie par filtration de gel, une méthode de chromatographie d’exclusion stérique,
- ultracentrifugation.

Détermination

Spectrométrie de masse

En spectrométrie de masse, la masse d'une petite molécule est généralement rapportée comme la masse mono-isotopique, c'est-à-dire la masse de la molécule contenant uniquement l'isotope le plus commun de chaque élément chimique. Les masses utilisées pour calculer la masse mono-isotopique se trouvent sur la table des isotopes, et non sur le tableau périodique des éléments classique. La masse moléculaire moyenne est souvent utilisée pour de plus grandes molécules puisque celles avec de nombreux atomes sont peu susceptibles d'être composées exclusivement de l'isotope le plus abondant de chaque élément. Une masse moléculaire moyenne théorique peut être calculée en utilisant les masses atomiques relatives figurant sur le tableau périodique typique, étant donné qu'elle est susceptible d'être la répartition statistique des atomes représentant les isotopes dans la molécule. Cela peut toutefois être différent de la vraie masse moléculaire moyenne de l'échantillon due à des variations naturelles (ou artificielles) dans la répartition isotopique.

Méthodes hydrodynamiques

En première approximation, la base de la détermination du poids moléculaire selon l'équation de Mark-Houwink est le fait que la viscosité de la solution (ou suspension) des macromolécules dépend de la proportion volumique des particules dispersées dans un solvant particulier. Plus précisément, la taille hydrodynamique est liée à la masse moléculaire qui dépend d'un facteur de conversion, en décrivant la forme d'une molécule particulière. Cela permet au poids moléculaire d'être décrit grâce à des techniques sensibles aux effets hydrodynamiques, comme la diffusion dynamique de la lumière (DLS), la chromatographie d'exclusion stérique (SEC) ou encore la viscosimétrie. L'apparente taille hydrodynamique peut alors être utilisée pour calculer le poids moléculaire en utilisant une série de normes spécifiques à la macromolécule. Comme cela nécessite un étalonnage, cette méthode est souvent décrite comme une méthode moléculaire « relative » de la détermination du poids.

Diffusion statique de la lumière

Il est également possible de déterminer directement la masse moléculaire absolue de diffusion de la lumière, traditionnellement en utilisant la méthode de Zimm. Ceci peut être réalisé soit par l'intermédiaire classique de détecteurs de diffusion de lumière statique[2] ou par l'intermédiaire d'une diffusion de la lumière sous multiples angles. Les poids moléculaires déterminés par ces méthodes ne nécessitent pas de calibration, d'où le terme « absolue ». La seule mesure externe requise est l'incrément d'indice de réfraction, qui décrit le changement d'indice de réfraction avec la concentration.

Articles connexes

Synoptique des grandeurs de masse moléculaire
Grandeur	Définition	Unité	Remarque
Nombre de masse	Le nombre de nucléons d'un atome.	Entier sans dimension.	La différence entre le nombre de masse et la masse moléculaire de l'atome vient des inégalités dans l'énergie de liaison nucléaire, et est typiquement inférieure au pour cent.
Masse atomique	La masse d'un atome ou d'une molécule.	(kilogramme) uma	Exprimée en unité de masse atomique, la mesure de la masse atomique est égale à celle de la masse moléculaire.
Masse moléculaire	Rapport entre la masse atomique d'une molécule de ce corps et l'unité de masse atomique.	Nombre sans dimension.	Pour un isotope donné, la masse moléculaire est peu différente de son nombre de masse.
Masse molaire	La masse d'une mole d'une molécule (ou d'un atome).	(kg/mol) g/mol	Exprimée en gramme par mole, la mesure de la masse molaire est égale à la masse moléculaire.
Unité de masse atomique (uma)	Le douzième de la masse d'un atome de carbone 12.	(kilogramme)	Elle vaut 1,66 × 10⁻²⁷ kg, sensiblement la masse d'un proton (1,672 × 10⁻²⁷ kg) ou d'un neutron (1,675 × 10⁻²⁷ kg), la différence correspond à l'énergie de liaison nucléaire du carbone.
Mole (mol)	Quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 12 grammes de carbone 12.	mole (mol)	Le nombre d'entités est le nombre d'Avogadro, 6,022 × 10²³ mol⁻¹.

Références

Alain Lavoinne (auteur), Soumeya Bekri (auteur), Pierre Kamoun (préface), Aide-mémoire de biochimie et biologie moléculaire, Médecine Sciences - Flammarion, 6^e éd., 2008
« Diffusion statique de la lumière (SLS) – Mesure de la masse molaire absolue par LALS, RALS ou MALS », sur malvern.com

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[1] Alain Lavoinne (auteur), Soumeya Bekri (auteur), Pierre Kamoun (préface), Aide-mémoire de biochimie et biologie moléculaire, Médecine Sciences - Flammarion, 6^e éd., 2008

[2] « Diffusion statique de la lumière (SLS) – Mesure de la masse molaire absolue par LALS, RALS ou MALS », sur malvern.com