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2.2 : Énergie - Biologie

2.2 : Énergie - Biologie


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Pratiquement toutes les tâches effectuées par les organismes vivants nécessitent de l'énergie. Par exemple, l'énergie est nécessaire pour la synthèse et la décomposition des molécules, ainsi que pour le transport des molécules dans et hors des cellules. De plus, des processus tels que l'ingestion et la décomposition des aliments, l'exportation de déchets et de toxines et le mouvement de la cellule nécessitent tous de l'énergie.

Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour décrire le concept de flux d'énergie à travers les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la décomposition de molécules complexes se produisent par le biais de réactions chimiques par étapes. Certaines de ces réactions chimiques sont spontanées et libèrent de l'énergie, tandis que d'autres nécessitent de l'énergie pour se dérouler. Ensemble, toutes les réactions chimiques qui ont lieu à l'intérieur des cellules, y compris celles qui consomment ou génèrent de l'énergie, sont appelées les métabolisme.

D'où et sous quelle forme vient cette énergie ? Comment les cellules vivantes obtiennent-elles de l'énergie et comment l'utilisent-elles ? Cette section discutera des différentes formes d'énergie et des lois physiques qui régissent le transfert d'énergie.

Énergie

Thermodynamique fait référence à l'étude de l'énergie et du transfert d'énergie impliquant la matière physique. La matière relative à un cas particulier de transfert d'énergie est appelée un système, et tout ce qui se trouve en dehors de cette matière est appelé l'environnement. Par exemple, lorsque vous chauffez une casserole d'eau sur le poêle, le système comprend le poêle, la casserole et l'eau. L'énergie est transférée à l'intérieur du système (entre le poêle, la marmite et l'eau). Il existe deux types de systèmes : ouverts et fermés. Dans un système ouvert, l'énergie peut être échangée avec son environnement. Le système de cuisinière est ouvert car la chaleur peut être perdue dans l'air. UNE systeme ferme ne peut pas échanger d'énergie avec son environnement.

Les organismes biologiques sont des systèmes ouverts. L'énergie est échangée entre eux et leur environnement car ils utilisent l'énergie du soleil pour effectuer la photosynthèse ou consomment des molécules stockant de l'énergie et libèrent de l'énergie dans l'environnement en effectuant un travail et en libérant de la chaleur. Comme toutes les choses dans le monde physique, l'énergie est soumise à des lois physiques. Les lois de la thermodynamique régissent le transfert d'énergie dans et entre tous les systèmes de l'univers. En général, énergie est définie comme la capacité de faire un travail ou de créer une sorte de changement. L'énergie existe sous différentes formes : l'énergie électrique, l'énergie lumineuse, l'énergie mécanique et l'énergie thermique sont toutes des types d'énergie différents. Pour apprécier la façon dont l'énergie entre et sort des systèmes biologiques, il est important de comprendre deux des lois physiques qui régissent l'énergie.

Les première loi de la thermodynamique déclare que la quantité totale d'énergie dans l'univers est constante et conservée. En d'autres termes, il y a toujours eu et il y aura toujours exactement la même quantité d'énergie dans l'univers. L'énergie existe sous de nombreuses formes différentes. Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre ou transformée en différentes formes, mais elle ne peut pas être créée ou détruite. Les transferts et les transformations d'énergie ont lieu tout le temps autour de nous. Les ampoules transforment l'énergie électrique en énergie lumineuse et thermique. Les poêles à gaz transforment l'énergie chimique du gaz naturel en énergie thermique. Les plantes effectuent l'une des transformations énergétiques les plus biologiquement utiles sur Terre : celle de convertir l'énergie de la lumière solaire en énergie chimique stockée dans des molécules organiques (Figure (PageIndex{2}) ci-dessous).

Le défi pour tous les organismes vivants est d'obtenir de l'énergie de leur environnement sous des formes utilisables pour effectuer un travail cellulaire. Les cellules ont évolué pour relever ce défi. L'énergie chimique stockée dans les molécules organiques telles que les sucres et les graisses est transférée et transformée par une série de réactions chimiques cellulaires en énergie dans les molécules d'ATP (adénosine triphosphate). L'énergie contenue dans les molécules d'ATP est facilement accessible pour effectuer un travail. Des exemples des types de travail que les cellules doivent effectuer comprennent la construction de molécules complexes, le transport de matériaux, l'alimentation du mouvement des cils ou des flagelles et la contraction des muscles pour créer un mouvement.

Les tâches principales d'une cellule vivante consistant à obtenir, transformer et utiliser de l'énergie pour effectuer un travail peuvent sembler simples. Cependant, le deuxième loi de la thermodynamique explique pourquoi ces tâches sont plus difficiles qu'il n'y paraît. Tous les transferts et transformations d'énergie ne sont jamais complètement efficaces. Dans chaque transfert d'énergie, une certaine quantité d'énergie est perdue sous une forme inutilisable. Dans la plupart des cas, cette forme est l'énergie thermique.

Thermodynamiquement, énergie thermique est défini comme l'énergie transférée d'un système à un autre qui ne fonctionne pas. Par exemple, lorsqu'une ampoule est allumée, une partie de l'énergie convertie de l'énergie électrique en énergie lumineuse est perdue sous forme d'énergie thermique. De même, une partie de l'énergie est perdue sous forme d'énergie thermique lors des réactions métaboliques cellulaires.

Un concept important dans les systèmes physiques est celui d'ordre et de désordre. Plus un système perd d'énergie dans son environnement, moins le système est ordonné et aléatoire. Les scientifiques se réfèrent à la mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d'un système comme entropie. Une entropie élevée signifie un désordre élevé et une faible énergie. Les molécules et les réactions chimiques ont également une entropie variable. Par exemple, l'entropie augmente à mesure que les molécules à forte concentration en un seul endroit diffusent et s'étalent. La deuxième loi de la thermodynamique dit que l'énergie sera toujours perdue sous forme de chaleur dans les transferts ou transformations d'énergie. Les êtres vivants sont très ordonnés, nécessitant un apport constant d'énergie pour être maintenus dans un état de faible entropie.

Énergie potentielle et cinétique

Lorsqu'un objet est en mouvement, il y a de l'énergie associée à cet objet. Pensez à une boule de démolition. Même une boule de démolition lente peut faire beaucoup de dégâts à d'autres objets. L'énergie associée aux objets en mouvement est appelée énergie cinétique. Une balle qui accélère, une personne qui marche et le mouvement rapide des molécules dans l'air ont tous une énergie cinétique. Et si cette même boule de démolition immobile était soulevée à deux étages au-dessus du sol avec une grue ? Si la boule de démolition suspendue ne bouge pas, y a-t-il de l'énergie qui lui est associée ? La réponse est oui. L'énergie qui était nécessaire pour soulever la boule de démolition n'a pas disparu, mais est maintenant stockée dans la boule de démolition en raison de sa position et de la force de gravité agissant sur elle. Ce type d'énergie est appelé énergie potentielle (Figure (PageIndex{3}) ci-dessous). Si la balle tombait, l'énergie potentielle serait transformée en énergie cinétique jusqu'à ce que toute l'énergie potentielle soit épuisée lorsque la balle repose sur le sol. Les boulets de démolition se balancent aussi comme un pendule ; à travers la balançoire, il y a un changement constant de l'énergie potentielle (la plus élevée au sommet de la balançoire) à l'énergie cinétique (la plus élevée au bas de la balançoire). D'autres exemples d'énergie potentielle incluent l'énergie de l'eau retenue derrière un barrage ou une personne sur le point de sauter en parachute d'un avion.

L'énergie potentielle n'est pas seulement associée à l'emplacement de la matière, mais aussi à la structure de la matière. Même un ressort au sol a de l'énergie potentielle s'il est comprimé ; il en va de même pour un élastique qui est tendu. Au niveau moléculaire, les liaisons qui maintiennent les atomes des molécules ensemble existent dans une structure particulière qui a une énergie potentielle. Le fait que l'énergie puisse être libérée par la rupture de certaines liaisons chimiques implique que ces liaisons ont une énergie potentielle. En fait, il y a une énergie potentielle stockée dans les liaisons de toutes les molécules alimentaires que nous mangeons, qui est exploitée pour être utilisée. Le type d'énergie potentielle qui existe dans les liaisons chimiques et qui est libéré lorsque ces liaisons sont rompues, est appelé énergie chimique. L'énergie chimique est responsable de fournir aux cellules vivantes de l'énergie provenant de la nourriture. La libération d'énergie se produit lorsque les liaisons moléculaires au sein des molécules alimentaires sont rompues.


CH 2-1,2-2 Énergie

Utilisez ces flashcards pour vous aider à mémoriser des informations. Regardez la grande carte et essayez de vous rappeler ce qu'il y a de l'autre côté. Cliquez ensuite sur la carte pour la retourner. Si vous connaissiez la réponse, cliquez sur la case verte Connaître. Sinon, cliquez sur la case rouge Je ne sais pas.

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Lorsque vous avez besoin d'une pause, essayez l'une des autres activités répertoriées sous les cartes mémoire comme Matching, Snowman ou Hungry Bug. Bien que vous ayez l'impression de jouer à un jeu, votre cerveau établit toujours plus de connexions avec les informations pour vous aider.


Tous les êtres vivants sont capables de maintenir un environnement interne plus ou moins constant. Quelles que soient les conditions qui les entourent, ils peuvent garder les choses relativement stables à l'intérieur. La condition dans laquelle un système est maintenu dans un état plus ou moins stable est appelée homéostasie . Les êtres humains, par exemple, maintiennent une température corporelle interne stable. Si vous sortez lorsque la température de l'air est en dessous de zéro, votre corps ne gèle pas. Au lieu de cela, par des frissons et d'autres moyens, il maintient une température interne stable.

Figure 2.2.2 Homéostasie de la température corporelle.


2.2) Niveaux d'organisation

La plupart des cellules, lorsqu'elles ont fini de se diviser et de croître, se spécialisent.

  • Ils font un travail particulier
  • Ils développent une forme distincte
  • Des types particuliers de changements chimiques ont lieu dans leur cytoplasme.

« Division du travail » - la spécialisation des cellules pour effectuer des fonctions particulières dans un organisme.

Cellules de mésophylle palissade – photosynthèse

Cellules nerveuses – conduction des impulsions

Reproduction des spermatozoïdes et des ovules –

Tissu est un groupe de cellules avec des structures similaires, travaillant ensemble pour remplir une fonction partagée.

Par exemple. Os, nerf, muscle, épiderme, xylème

Organe est une structure constituée d'un groupe de tissus, travaillant ensemble pour remplir une fonction spécifique.

Par exemple. Estomac, cœur, poumons, intestins, cerveau, yeux

Système d'organes est un groupe d'organes ayant des fonctions connexes, travaillant ensemble pour exécuter une fonction corporelle.


Activité physique : effets bénéfiques

Glossaire

Le coût énergétique total du maintien de conditions constantes dans le corps plus le coût énergétique des activités physiques.

Activité physique régulière, planifiée et structurée dans le but d'améliorer ou de maintenir un ou plusieurs aspects de la condition physique.

Un état de complet bien-être physique, mental et social et pas seulement l'absence de maladie ou d'infirmité.

Tout mouvement corporel produit par les muscles squelettiques qui entraîne une dépense énergétique.

Une mesure de la capacité du corps à faire face à l'activité physique ou à l'exercice.


Structure des glucides

Monosaccharides
Tous les glucides sont formés à partir des éléments carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O). La formule d'un glucide est toujours (CH2O)m. Le n représente le nombre de fois que le CH de base2L'unité O est répétée, par ex. où n = 6 la formule moléculaire est C6H12O6. C'est la formule partagée par le glucose et d'autres sucres simples comme le fructose. Ces sucres simples sont appelés monosaccharides.

La formule moléculaire, C6H12O6, n'indique pas comment les atomes se lient entre eux. Un certain nombre de groupes – H et – OH sont liés aux atomes de carbone. Différentes positions de ces groupes sur la chaîne carbonée sont responsables de différentes propriétés des molécules. Les formules structurelles du et du glucose sont présentées ci-dessous.

Le glucose est si petit qu'il peut passer à travers les villosités et les capillaires dans notre circulation sanguine. Les molécules libèrent ensuite de l'énergie à la suite de la respiration. Les molécules de glucose simples sont capables de bien plus. Ils peuvent se combiner avec d'autres pour former des molécules plus grosses.

Disaccharides
Chaque unité de glucose est appelée monomère et est capable de lier les autres. Ce diagramme montre deux molécules de glucose formant un disaccharide.

Dans vos examens, recherchez les différents monosaccharides administrés, comme le fructose ou le α de glucose. On vous demandera peut-être de montrer comment ils se lient. Le principe sera exactement le même.

UNE condensation réaction signifie que lorsque deux molécules de glucides se lient ensemble, une molécule d'eau est produite. Le lien formé entre les deux molécules de glucose est connu sous le nom de liaison glycosidique.

Une liaison glycosidique peut également être rompue pour libérer des unités monomères séparées. C'est le contraire de la réaction montrée ci-dessus. Au lieu de libérer de l'eau, une molécule d'eau est nécessaire pour rompre chaque liaison glycosidique. C'est appelé hydrolyse parce que l'eau est nécessaire pour séparer la plus grosse molécule.

Polysaccharides
Comme les disaccharides, ils sont constitués d'unités monomères liées par la liaison glycosidique. Cependant, au lieu de seulement deux unités monomères, ils peuvent en avoir plusieurs. Les chaînes de ces unités « sucre » sont appelées polymères. Ces molécules plus grosses ont des rôles structurels et de stockage importants.

L'amidon est un polymère du sucre, le glucose. Le diagramme ci-dessous montre une partie d'une molécule d'amidon.

Le tableau classe les glucides

Quelle est l'utilité des polysaccharides?

  • Amidon est stocké dans les organismes en tant que future source d'énergie, par ex. la pomme de terre a une teneur élevée en amidon pour fournir de l'énergie pour que les bourgeons se développent à un stade ultérieur.
  • Glycogène est stocké dans le foie, qui libère du glucose pour l'énergie en période d'hypoglycémie.

L'amidon et le glycogène sont tous deux insolubles, ce qui leur permet de rester à l'intérieur des cellules.

  • Cellulose a de longues chaînes et branches qui aident à former une couche protectrice dure autour des cellules végétales, la paroi cellulaire.
  • Pectines sont utilisés avec la cellulose dans la paroi cellulaire. Ce sont des polysaccharides liés entre eux par du pectate de calcium. Les pectines aident les cellules à se lier.

Ensemble, la cellulose et les pectines confèrent une résistance mécanique exceptionnelle. La paroi cellulaire est également perméable à un large éventail de substances.


2.2.U2) La liaison hydrogène et la dipolarité expliquent les propriétés cohésives, adhésives, thermiques et solvantes de l'eau.

Biens Explication en termes de liaison hydrogène et de dipolarité Exemple d'un bénéfice pour les organismes vivants
Cohésion La capacité de molécules similaires à coller ensemble l'eau est fortement cohésive en raison des nombreuses liaisons hydrogène formées entre elles (arrangement tétraédrique). Tension superficielle : Les liaisons hydrogène cohésives résistent à l'objet essayant de pénétrer la surface. Permet aux organismes, tels que les patineurs d'étang, de se déplacer à la surface de l'eau.
Adhésion La capacité de molécules dissemblables à se coller ensemble La dipolarité des molécules d'eau les fait se coller à des surfaces polaires et donc hydrophiles. Capillarité : Les forces d'adhérence entre l'eau et la cellulose (dans les vaisseaux du xylème) permettent à l'eau d'être transportée vers les tiges des plantes via le flux de transpiration.
Thermique En raison des nombreuses liaisons hydrogène entre les molécules d'eau, les liaisons hydrogène doivent être rompues avant de pouvoir changer d'état, ce qui nécessite l'absorption d'une énergie importante (chaleur). L'eau a donc des points de fusion et d'ébullition élevés et une capacité thermique spécifique élevée. Les propriétés thermiques de l'eau la rendent liquide dans la plupart des habitats sur Terre, ce qui la rend adaptée aux organismes vivants. Une capacité thermique spécifique élevée fait que sa température change relativement lentement, ce qui en fait un habitat stable.
Solvant De nombreuses substances se dissolvent dans l'eau en raison de sa polarité, y compris celles composées d'ions ou de molécules polaires. Les réactions métaboliques se produisent presque toujours dans l'eau, car l'eau dans les cellules dissout les réactifs/substrats.


La chimie de la respiration cellulaire

L'équation chimique de la respiration cellulaire est illustrée ci-dessous avec des symboles pour les réactifs et les produits de la réaction.
Étiquetez le schéma ci-dessous et coloriez-le.

/>Glucose (violet) />Oxygène (rouge) />ATP (orange)
/>Dioxyde de carbone (vert) />Eau (bleu)

8. Les produits sont ce qui est créé lors d'une réaction. Quels sont les trois produits de la respiration cellulaire ?

9. Les réactifs sont ce qui entre dans la réaction, quels sont les deux réactifs nécessaires pour que la respiration se produise ?

10. Que se passerait-il si l'oxygène n'était pas disponible ?

11. Référez-vous à vos notes ou à votre manuel pour écrire l'équation pour PHOTOSYNTHÈSE.

12. En quoi la photosynthèse et la respiration cellulaire sont-elles similaires ?

/>Ce travail est sous licence Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


Évaluation scientifique

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  • &ldquoMa banque d'articles&rdquo, une fonctionnalité qui vous permet de sélectionner, d'enregistrer et d'imprimer des éléments et des réponses (nécessite une inscription sur le site).
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  • Résultats de deux projets spéciaux, l'un sur l'énergie (ASPECt) et l'autre sur l'évolution.

Destinés principalement aux enseignants, ces éléments et ressources d'évaluation seront également utiles aux chercheurs en éducation, aux développeurs de tests et à toute personne intéressée par les performances des élèves du secondaire et du secondaire en sciences.

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Quand la rupture des liaisons chimiques libère-t-elle de l'énergie ?

La rupture des liaisons chimiques ne libère jamais d'énergie dans l'environnement extérieur. L'énergie n'est libérée que lorsque des liaisons chimiques sont formé. En général, une réaction chimique comporte deux étapes : 1) les liaisons chimiques d'origine entre les atomes sont rompues et 2) de nouvelles liaisons se forment. Ces deux étapes sont parfois regroupées en un seul événement pour plus de simplicité, mais il s'agit en réalité de deux événements distincts. Par exemple, lorsque vous brûlez du méthane (gaz naturel) dans votre poêle, le méthane réagit avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone et de l'eau. Les chimistes écrivent souvent ceci comme :

Cette équation chimique équilibrée résume la réaction chimique impliquée dans la combustion du méthane. Les réactifs sont à gauche, les produits à droite et la flèche représente le moment où la réaction se produit. Mais il se passe beaucoup de choses intéressantes qui se cachent derrière cette flèche. Une équation plus détaillée ressemblerait à ceci :

La première ligne de l'équation contient les réactifs d'origine : les molécules de méthane et les molécules d'oxygène. La première flèche représente la rupture des liaisons, ce qui nécessite de l'énergie. Sur la ligne médiane se trouvent les atomes, maintenant séparés des molécules et libres de réagir. La deuxième flèche représente la formation de nouvelles liaisons. Sur la dernière ligne se trouvent les produits finis. Il faut un peu d'énergie, comme l'étincelle de l'allumeur de votre poêle, pour déclencher la réaction. C'est parce que les liaisons doivent être rompues avant que les atomes puissent être formés en de nouvelles liaisons, et il faut toujours de l'énergie pour rompre les liaisons. Une fois que la réaction a commencé, l'énergie de sortie d'une molécule de méthane brûlée devient l'énergie d'entrée de la molécule suivante. Une partie de l'énergie libérée par chaque liaison formée lors de la fabrication de dioxyde de carbone et d'eau est utilisée pour rompre davantage de liaisons dans les molécules de méthane et d'oxygène. De cette façon, la réaction devient auto-entretenue (tant que le méthane et l'oxygène continuent à être fournis). L'allumeur peut être éteint. Si la rupture des liaisons ne nécessitait pas d'énergie, les combustibles n'auraient pas besoin d'un dispositif d'allumage pour commencer à brûler. Ils commenceraient juste à brûler d'eux-mêmes. La présence de bougies d'allumage dans votre voiture atteste que la rupture des liaisons chimiques nécessite de l'énergie. (Notez que la combustion du méthane implique en fait de nombreuses étapes plus petites, donc l'équation ci-dessus pourrait être développée encore plus en détail.)

Le manuel Advanced Biology de Michael Roberts, Michael Jonathan Reiss et Grace Monger déclare :

Les biologistes parlent souvent d'énergie rendue disponible par la décomposition du sucre, ce qui implique que la rupture des liaisons chimiques dans les molécules de sucre libère de l'énergie. Et pourtant, en chimie, nous apprenons que l'énergie est libérée, pas lorsque des liaisons chimiques sont cassé, mais quand ils sont formé. En effet, la respiration fournit de l'énergie, non par la rupture de liaisons dans le substrat, mais par la formation de liaisons fortes dans les produits. Cependant, le résultat global du processus est de produire de l'énergie, et c'est dans ce sens que les biologistes parlent de la dégradation du sucre donnant de l'énergie.

L'entrée ou la sortie d'énergie totale d'une réaction est égale à l'énergie libérée lors de la formation de nouvelles liaisons moins l'énergie utilisée pour rompre les liaisons d'origine. S'il faut Suite l'énergie pour rompre les liaisons d'origine que celle libérée lorsque les nouvelles liaisons sont formées, alors l'énergie nette de la réaction est négative. Cela signifie que l'énergie doit être pompée dans le système pour maintenir la réaction. De telles réactions sont dites endothermiques. Si si prend moins l'énergie pour rompre les liaisons d'origine que celle libérée lorsque de nouvelles liaisons sont formées, alors l'énergie nette de la réaction est positive. Ce fait signifie que l'énergie sortira du système au fur et à mesure que la réaction se déroule. Ce fait signifie également que la réaction peut se dérouler d'elle-même sans aucune énergie externe une fois démarrée. De telles réactions sont dites exothermiques. (Les réactions endothermiques peuvent également se dérouler d'elles-mêmes s'il y a suffisamment d'énergie externe sous forme de chaleur ambiante pour être absorbée.) Les réactions exothermiques ont tendance à réchauffer le milieu environnant tandis que les réactions endothermiques ont tendance à le refroidir. La combustion des combustibles est exothermique car il y a un dégagement net d'énergie. La cuisson d'un œuf est endothermique car il y a un apport net d'énergie pour faire cuire l'œuf. L'essentiel est que les deux les réactions endothermiques et exothermiques impliquent la rupture des liaisons, et les deux nécessitent donc de l'énergie pour démarrer.

Il est logique que rompre les liens demande toujours de l'énergie. Une liaison chimique maintient deux atomes ensemble. Pour rompre le lien, vous devez lutter contre le lien, comme étirer un élastique jusqu'à ce qu'il se brise. Faire cela demande de l'énergie. Par analogie, pensez aux atomes comme à des ballons de basket. Considérez le paysage énergétique des liaisons chimiques comme un terrain vallonné sur lequel les ballons de basket roulent. Lorsque deux balles sont placées près d'un trou rond, la gravité les tire vers le bas où elles se rencontrent et s'arrêtent. Les deux balles restent maintenant proches l'une de l'autre en raison de la forme du trou et de l'attraction de la gravité. C'est comme la liaison chimique unissant les atomes. Pour éloigner les billes les unes des autres (pour briser les liens), vous devez les enrouler des côtés opposés du trou. Il faut l'énergie de votre main pour pousser les balles pour les faire remonter sur les côtés du trou et les éloigner les unes des autres. L'énergie que vous mettez dans le système pour séparer les balles est maintenant stockée sous forme d'énergie potentielle dans les balles. Les atomes ne roulent pas littéralement de haut en bas des collines, mais ils agissent comme s'ils se déplaçaient dans un paysage énergétique très similaire aux vraies collines.


Voir la vidéo: Unit Intramolecular Forces and Potential Energy (Juillet 2022).


Commentaires:

  1. Arashibei

    Bravo, une super idée

  2. Kunagnos

    Nada ajoute un autre élément

  3. Mazubei

    Je pense qu'ils ont tort. Nous devons discuter. Écrivez-moi dans PM, parlez.

  4. Najja

    La honte et la honte!



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