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Fiche explicative de la leçon : Liaison hydrogène Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire et expliquer la liaison hydrogène, et l’effet qu’elle a sur les propriétés physiques des molécules.

Les liaisons hydrogène sont des interactions dipôle-dipôle qui peuvent s’établir entre un atome d’hydrogène lié par covalence à un atome très électronégatif porteur d’un doublet non liant. Des liaisons hydrogène se forment généralement entre l’extrémité partiellement positive (𝛿+) d’une molécule et l’extrémité partiellement négative (𝛿) d’une deuxième molécule.

Définition : Liaison hydrogène

Les liaisons hydrogène sont des interactions dipôle-dipôle qui peuvent s’établir entre un atome d’hydrogène lié par covalence à un atome très électronégatif porteur d’un doublet non liant.

Les liaisons hydrogène sont une classe spéciale d’interaction dipôle-dipôle pouvant s’établir entre les molécules qui sont constituées des atomes ayant les valeurs les plus élevées possibles d’électronégativité. Les atomes les plus électronégatifs attirent une quantité importante de densité d’électrons à partir des liaisons covalentes et rendent les molécules extrêmement polaires et extrêmement efficaces pour générer de fortes forces intermoléculaires.

Les liaisons hydrogène ne sont généralement formées que par des molécules contenant au moins un atome de fluor, d’oxygène ou d’azote. Le tableau suivant montre des différentes forces d’attraction intermoléculaires, mais il est important de réaliser que les données sont à la fois approximatives et non exhaustives.

Type de force intermoléculaireSe produit entreImpliqueForces approximatives de l'attraction (kJ/mol)
DispersionMolécules non polairesDipôles temporaires0,5 à 2,5
Dipôle – dipôleMolécules polairesDipôles permanents2,0–12,5
Liaison hydrogèneMolécules polairesDipôles permanents entre H et F, O, ou N15,0–35,0

Les molécules d’eau ont un atome d’oxygène très électronégatif qui est lié par covalence à deux atomes d’hydrogène. L’atome d’oxygène retire une quantité importante de densité d’électrons des deux liaisons covalentes OH, ce qui rend les molécules asymétriques d’eau très polaires. Les atomes d’hydrogène ont une charge électrostatique positive partielle, et les atomes d’oxygène ont une charge électrostatique négative partielle.

Chaque molécule d’eau peut former jusqu’à quatre liaisons hydrogène, car elle possède deux atomes d’hydrogène partiellement chargés positivement et deux doublets non liants. La figure suivante utilise des pointillés fins pour les liaisons hydrogène (nommé 1) pour montrer comment une molécule d’eau peut former jusqu’à quatre liaisons hydrogène avec d’autres molécules d’eau adjacentes.

Exemple 1: Indiquer combien de liaisons hydrogène peuvent être formées par une seule molécule d’eau

Quel est le nombre maximal de liaisons hydrogène pouvant être formées par une molécule d’eau?

Réponse

Les liaisons hydrogène sont de fortes interactions intermoléculaires qui peuvent se former entre des molécules voisines. Des liaisons hydrogène sont formées entre un atome d’hydrogène d’une molécule lié par covalence à un atome, d’une deuxième molécule, porteur d’un doublet non liant. L’atome d’hydrogène, lié par covalence, doit être lié à un atome très électronégatif tel que le fluor, l’oxygène ou l’azote. Chacun des atomes d’hydrogène, liés par covalence, peut former une liaison hydrogène avec un doublet non liant.

Les molécules d’eau contiennent deux atomes d’hydrogène qui sont liés de manière covalente à un seul atome d’oxygène très électronégatif. L’atome d’oxygène a un total de six électrons dans la couche externe, et quatre de ces électrons restent essentiellement sur un côté des molécules d’eau. Les électrons sont disposés en deux doublets non liants, dont chacun peut accepter une seule liaison hydrogène. Chacun des doublets non liants et des deux atomes d’hydrogène liés par covalence peuvent former une seule liaison hydrogène avec d’autres molécules d’eau ou un autre type de molécule polaire complémentaire. Cette affirmation peut être utilisée pour déterminer qu’une seule molécule d’eau peut former un total de quatre liaisons hydrogène.

Les liaisons hydrogène ont tendance à être à la fois plus longues et plus faibles que les liaisons covalentes. La longueur de liaison OH est entre 0,95 angstrom et 1,00 angstrom̊A et la liaison hydrogène entre deux molécules d’eau peut être deux ou trois fois plus longue.

Le tableau suivant compare les données pour la plupart des différents types de liaisons covalentes et hydrogène. Vous allez remarquer que les liaisons hydrogène tendent à être deux ou trois fois plus longues que les liaisons covalentes et que les liaisons hydrogène ont tendance à être au moins cinq fois plus faibles que les liaisons covalentes.

Longueur de liaison ̊AForce de liaison (kJ/mol)
Liaison covalente1,0–1,51501‎ ‎000
Liaison hydrogène2,5–3,515–35

Exemple 2: Identifier les enthalpies de liaisons des liaisons hydrogène

Le tableau ci-dessous indique les enthalpies de liaisons hydrogène et de liaisons covalentes entre les paires d’atomes. Quelle colonne correspond aux enthalpies de liaisons hydrogène?

Paire d’atomes Enthalpies de liaisons (kJ/mol)
A B
N et H 17 386
O et H 22 au total 464
F et H29 565
  1. A
  2. B

Réponse

Les liaisons hydrogène sont de fortes interactions intermoléculaires qui peuvent se former entre des molécules voisines. Les liaisons hydrogène ne se forment généralement qu’entre des molécules qui contiennent au moins un atome très électronégatif lié par covalence à un atome d’hydrogène. L’atome très électronégatif est presque toujours un atome d’azote, d’oxygène ou de fluor. L’atome d’hydrogène lié par covalence finit par avoir une charge positive partielle (𝛿+) et l’atome électronégatif finit par avoir une charge négative partielle (𝛿).

Les liaisons hydrogène sont établies lorsque l’extrémité partiellement positive d’une molécule interagit avec l’extrémité partiellement chargée négativement d’une molécule voisine. Les interactions intermoléculaires sont fortes, et les liaisons hydrogène ont tendance à avoir des valeurs d’enthalpie de liaison de 15–35 kJ/mol.

Les liaisons covalentes sont un type de liaison chimique et d’interaction intramoléculaire. Des liaisons covalentes sont formées lorsque les électrons de valence d’un atome se chevauchent avec les électrons de valence d’un deuxième atome. Les liaisons covalentes sont beaucoup plus fortes que les liaisons hydrogène intermoléculaires. Les liaisons covalentes ont tendance à avoir des valeurs d’enthalpie de 1501‎ ‎000 kJ/mol.

La colonne A indique des valeurs comprises dans l’intervalle 15–35 kJ/mol, mais la colonne B indique des valeurs d’enthalpie de liaison qui se situent en dehors de cet intervalle. La colonne A montre les enthalpies de liaison qui pourraient correspondre aux enthalpies de liaisons hydrogène, et la colonne B montre les enthalpies de liaison qui ne peuvent pas correspondre aux enthalpies de liaisons hydrogène. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que l’option A doit être la bonne réponse à cette question.

Le sulfure d’hydrogène (HS2) et les molécules d’eau (HO2), ont toutes deux, deux atomes d’hydrogène et un atome du seizième groupe du tableau périodique. Le sulfure d’hydrogène et les molécules d’eau ont des géométries similaires en forme de V (angulaires), mais elles ont différentes interactions intermoléculaires et différents points d’ébullition.

L’eau a un point d’ébullition relativement élevé de 100C , car chaque molécule d’eau peut former jusqu’à quatre liaisons hydrogène. Le sulfure d’hydrogène a un point d’ébullition beaucoup plus bas d’environ 61C, car les molécules de sulfure d’hydrogène ne peuvent induire la formation d’aucune liaison hydrogène.

Il faut beaucoup d’énergie pour séparer les molécules d’eau, car elles sont maintenues ensemble par de fortes liaisons hydrogène. Cependant, il faut beaucoup moins d’énergie pour séparer les molécules de sulfure d’hydrogène, car elles ne possèdent pas d’atomes très électronégatifs qui peuvent induire la formation de liaisons hydrogène. Les atomes de soufre ont une valeur d’électronégativité inférieure de 25%à la valeur d’électronégativité de l’oxygène. Le graphique suivant montre les similitudes entre les structures des molécules d’eau et de sulfure d’hydrogène.

La force d’une liaison hydrogène dépend de la force des moments dipolaires électriques induits. Les atomes les plus électronégatifs retirent une partie de densité d’électrons des liaisons covalentes, ce qui produit des moments dipolaires électriques plus intensément asymétriques. Les moments dipolaires les plus intensément asymétriques génèrent les liaisons hydrogène les plus fortes. Les atomes de fluor retirent généralement plus de densité d’électrons que les atomes d’azote, ce qui explique pourquoi les molécules de fluorures d’hydrogène (HF), produisent généralement des liaisons hydrogène plus fortes que les molécules d’ammoniac (NH3). La figure suivante montre comment une simple liaison hydrogène peut se former entre deux molécules voisines de fluorure d’hydrogène et deux molécules voisines d’ammoniac.

Fδ–Hδ+Fδ–Hδ+Nδ–Hδ+Hδ+Hδ+Hδ+Nδ–Hδ+Hδ+

Exemple 3: Identifier le bon diagramme de liaison hydrogène

Lequel des graphiques suivants illustre correctement la liaison hydrogène entre deux molécules de HF?

A.

Fδ–Hδ+Fδ–Hδ+

B.

Fδ–Hδ+Fδ–Hδ+

C.

Fδ+Hδ–Fδ+Hδ–

D.

Fδ–Hδ+Hδ–Fδ+

E.

Fδ+Hδ+Hδ+Fδ–

Réponse

Les liaisons hydrogène sont de fortes forces intermoléculaires qui existent entre un atome d’hydrogène d’une molécule lié par covalence à un atome, d’une molécule voisine, porteur d’un doublet non liant. L’atome d’hydrogène doit être lié par covalence à un atome de fluor, d’azote ou d’oxygène. Les atomes de fluor ont la plus élevée valeur d’électronégativité de tous les éléments du tableau périodique, et la liaison HF est très polaire. Les atomes de fluor ont une charge électrostatique partielle négative (𝛿) et les atomes d’hydrogène ont une charge électrostatique partielle positive (𝛿+). Des liaisons hydrogène se forment entre l’atome d’hydrogène, lié par covalence, de la molécule de fluorure d’hydrogène et le doublet non liant de l’atome de fluor voisin.

Les liaisons hydrogène entre les molécules voisines de fluorure d’hydrogène peuvent être représentées avec des images relativement basiques qui utilisent les symboles chimiques H et F pour représenter les atomes d’hydrogène et de fluor et les droites simples pour représenter les liaisons covalentes. Les valeurs des charges électrostatiques partielles positive et négative sont représentées respectivement par les symboles 𝛿+ et 𝛿. Les liaisons hydrogène sont représentées par des pointillés fins et jamais par des flèches unilatérales.

La question nous demande de déterminer quel graphique représente correctement la liaison hydrogène entre deux molécules de fluorure d'hydrogène. Le graphique correct serait représenté avec le symbole 𝛿+ écrit à côté de l’atome d’hydrogène (H) et avec le symbole 𝛿 écrit à côté de l’atome de fluor (F). Le graphique correct devrait également avoir la liaison hydrogène placée entre la section 𝛿+ d’une molécule et la section 𝛿 de la molécule voisine. L’option A est la seule figure qui a tous ses symboles et liaisons dans les positions appropriées, et nous pouvons déterminer que l’option A doit être la réponse correcte à cette question.

Les molécules de fluorure d’hydrogène et d’ammoniac ont des points d’ébullition plus bas que l’eau, car il y a moins de liaisons hydrogène entre les groupes de molécules de fluorure d’hydrogène ou d’ammoniac et plus de liaisons hydrogène entre les groupes de molécules d’eau. Il faut une quantité modérée d’énergie thermique pour séparer des groupes de molécules d’ammoniac ou de fluorure d’hydrogène, car elles sont liées entre elles par un nombre relativement faible de liaisons hydrogène. Il faut beaucoup plus d’énergie thermique pour briser les groupes de molécules d’eau, car les molécules d’eau sont liées avec un plus grand nombre de liaisons hydrogène. Les différences dans la capacité de liaison hydrogène peuvent être comprises en considérant le nombre inégal de doublet non liant et les atomes d’hydrogène partiellement chargés positivement dans les liquides d’ammoniac et de fluorure d’hydrogène.

Chaque molécule d’ammoniac a trois atomes d’hydrogène partiellement chargés positivement et un doublet non liant. Les molécules d’ammoniac ne peuvent pas créer le même type de réseaux de liaisons hydrogène qui sont formés dans l’eau liquide. Chaque molécule d’ammoniac ne pourra établir en moyenne que deux liaisons hydrogène avec les molécules d’ammoniac environnantes. Ils ont tendance à former une liaison hydrogène avec leur doublet non liant et une seconde liaison hydrogène avec l’un de leurs atomes d’hydrogène partiellement chargés positivement.

Chaque molécule de fluorure d’hydrogène a un atome d’hydrogène partiellement chargé positivement et trois doublets non liants. Les molécules de fluorure d’hydrogène ne peuvent pas créer le même type de réseaux de liaison hydrogène qui sont formés dans l’eau liquide. Chaque molécule de fluorure d'hydrogène ne pourra faire en moyenne que deux liaisons hydrogène avec les molécules de fluorure d'hydrogène environnantes. Ils ont tendance à former une liaison hydrogène avec leur seul atome d’hydrogène partiellement chargé positivement et une seconde liaison hydrogène avec l’un de leurs doublets non liants.

Le fait que le fluorure d’hydrogène ne soit capable de former que de deux liaisons hydrogène en moyenne limite les formes pouvant être constituées par plusieurs molécules lorsqu’elles sont jointes par des liaisons hydrogène. Des exemples d'arrangements possibles en chaîne droite et en cycle fermé peuvent être vus dans le diagramme ci-dessous.

Il a déjà été dit que l’eau a un point d’ébullition plus élevé que le sulfure d’hydrogène, mais il est intéressant de noter que le fluorure d’hydrogène et l’ammoniac ont également des points d’ébullition plus élevés que d’autres molécules comparables de mono- et trihydrure. Les données sur le point d’ébullition montrent que les molécules d’hydrure ont presque toujours des points d’ébullition plus élevés si elles contiennent des atomes très électronégatifs qui peuvent induire la formation de liaisons hydrogène. Les liaisons hydrogène augmentent la force d’attraction entre les molécules voisines, et il faut donc plus d’énergie thermique pour les séparer. Le fluorure d’hydrogène (HF) a un point d’ébullition de 105 degrés supérieur au point d’ébullition du chlorure d’hydrogène (HCl), et l’ammoniac (NH3) a un point d’ébullition de 54 degrés supérieur au point d’ébullition de la phosphine (PH3).

Exemple 4: Comprendre comment les liaisons hydrogène affectent les points d’ébullition de composés moléculaires simples

Le graphique ci-dessous montre les points d’ébullition des hydrures des groupes 14, 15, 16 et 17.

  1. Pourquoi les points d’ébullition de NH3, HO2, et HF sont plus élevés que les autres hydrures dans leurs groupes respectifs?
    1. Les molécules constituées des atomes ayant des petites tailles contiennent des liaisons covalentes plus fortes.
    2. Ces molécules ont des pressions de vapeur plus élevées que les autres hydrures.
    3. Ces molécules peuvent former un réseau des structures covalentes, leur donnant des points d’ébullition plus élevés que les autres hydrures du groupe.
    4. Ces molécules sont capables de se lier à l’hydrogène, ce qui leur confère une attraction intermoléculaire plus forte que les autres hydrures.
    5. Des molécules de petites tailles peuvent se rassembler plus étroitement.
  2. Pourquoi le point d’ébullition augmente-t-il lorsque vous descendez dans le groupe 14?
    1. Les éléments deviennent métalliques et subissent donc une liaison métallique, qui est plus forte que la liaison covalente.
    2. Le nombre d’électrons dans chaque atome augmente, donnant lieu à de plus grandes attractions de van der Waals entre les molécules.
    3. La force de liaison entre l’atome du groupe 14 et les atomes d’hydrogène augmente, ce qui signifie que plus d’énergie est nécessaire pour les séparer.
    4. Les molécules sont capables de former des liaisons hydrogène plus fortes, augmentant le point d’ébullition.
    5. La réactivité des molécules diminue, ce qui signifie que plus d’énergie est nécessaire pour changer leur état du liquide au gaz.

Réponse

Partie 1

Les points d’ébullition dépendent de la force des interactions intermoléculaires entre les molécules. Les matériaux ont des points d’ébullition relativement élevés lorsqu’il y a de fortes interactions intermoléculaires entre les molécules qui les composent. Les matériaux ont des points d’ébullition relativement bas lorsqu’il y a des interactions intermoléculaires plus faibles entre les molécules qui les composent.

Le fluorure d’hydrogène a un point d’ébullition plus élevé que les autres hydrures du groupe dix-sept, car le fluorure d’hydrogène est le seul hydrure du groupe dix-sept qui peut former des liaisons hydrogène. L’eau et l’ammoniac ont des points d’ébullition plus élevés que les autres hydrures du groupe quinze et seize, car ce sont les seuls hydrures du groupe quinze et seize qui peuvent former des liaisons hydrogène. Ces affirmations peuvent être utilisées pour déterminer que l’option D est la bonne réponse à cette question.

Partie 2

Les points d’ébullition dépendent de la force des interactions intermoléculaires entre les molécules. Certains matériaux ont des points d’ébullition relativement élevés, car ils sont composés de molécules qui peuvent former de fortes liaisons hydrogène intermoléculaires. D’autres matériaux ont des points d’ébullition plus bas car ils sont composés de molécules qui ne peuvent former que des interactions intermoléculaires de dispersion plus faible.

Les tétrahydrures du groupe 14 ont tous des points d’ébullition relativement bas, car ce sont des molécules non polaires qui sont maintenues ensemble avec de faibles forces de dispersion. Certains des tétrahydrures du groupe 14 ont des points d’ébullition plus élevés que d’autres tétrahydrures de même groupe car ils sont constitués de composés non polaires qui peuvent former des interactions de dispersion plus fortes.

L’intensité de la force de dispersion dépend de la force du dipôle moléculaire qui peut être induite dans une molécule. Les molécules peuvent générer des moments dipolaires électriques plus forts lorsqu’elles contiennent un plus grand nombre d’électrons et une plus grande quantité de densité d’électrons chargée négativement qui peut être redistribuée. Le nombre d’électrons augmente à mesure que nous descendons dans le groupe 14, ce qui explique pourquoi stannane (SnH4) a un point d’ébullition plus élevé que celui du germane (GeH4) et pourquoi le germane a un point d’ébullition légèrement plus élevé que le silane (SiH4) et un point d’ébullition beaucoup plus élevé que le méthane (CH4). Ce raisonnement est résumé dans l’option B, et nous pouvons conclure que l’option B doit être la bonne réponse à cette question.

Les liaisons hydrogène régulent la structure et le fonctionnement de certaines des macromolécules biologiques les plus importantes, y compris les protéines transmembranaires 𝛼-hélicoïdales et les brins à double hélice de l’acide désoxyribonucléique (ADN). Il existe deux ou trois liaisons hydrogène entre des paires de bases azotées complémentaires dans l’ADN et il y a beaucoup de liaisons hydrogène entre le squelette carbonyle et les atomes d'hydrogène d'amide de la plupart des protéines membranaires intégrales. La plupart des ADN et 𝛼-hélicoïdal ou les structures protéiques 𝛽-feuillet perdraient instantanément leur forme importante et leur(s) fonction(s) biologique(s) si elles perdaient la totalité ou même une partie de leurs liaisons hydrogène intramoléculaires. L’image suivante montre comment les liaisons hydrogène aident à maintenir la structure tridimensionnelle complexe en double hélice de l’ADN. Les liaisons hydrogène sont représentées par de fines lignes pointillées. Il y a deux liaisons hydrogène entre les paires de bases complémentaires thymine (T) et adénine (A) et trois liaisons hydrogène entre les paires de bases complémentaire cytosine (C) et guanine (G).

Exemple 5: Indiquer le nombre de liaisons hydrogène reliant les paires de bases guanine et cytosine

L’appariement des bases dans l’ADN entre les molécules de guanine et de cytosine est illustré dans la structure donnée. Combien de liaisons hydrogène peuvent être formées entre les molécules de guanine et de cytosine?

NNNNNOHHHONNNHH

Réponse

L’acide désoxyribonucléique (ADN) est une macromolécule composée de deux chaînes polynucléotidiques. Chaque chaîne polynucléotidique est composée d’un squelette sucre-phosphate et de différentes paires de bases azotées. Les paires de bases azotées contiennent des atomes d’hydrogène partiellement chargés positivement et des atomes très électronégatifs qui ont des doublets non liants exposés. La paire de bases adénine forme deux liaisons hydrogène avec la paire de bases complémentaire thymine, et la paire de bases guanine forme trois liaisons hydrogène avec la paire de bases complémentaire cytosine. La figure suivante montre comment se forment deux et trois liaisons hydrogène entre des paires de bases complémentaires ADN. La première partie de la figure montre comment deux liaisons hydrogène se forment entre les paires de bases complémentaires adénine (A) et thymine (T), et la deuxième partie montre comment trois liaisons hydrogène se forment entre les paires de bases complémentaires guanine (G) et cytosine (C). Les liaisons hydrogène sont représentées par des pointillés rouges.

ATGCNNNNNHHNNOCH3OHNONNNHNHHNNONHH

Cette question nous demande de déterminer le nombre de paires de bases entre les paires de bases complémentaires guanine et cytosine et non le nombre de liaisons entre les paires de bases complémentaires adénine et thymine. La figure précise qu’il y a trois liaisons hydrogène entre les paires de bases guanine et cytosine, et nous pouvons conclure que le nombre trois doit être la réponse correcte à cette question.

Points Clés

  • Les liaisons hydrogène sont des interactions dipôle-dipôle qui existent entre des atomes d’hydrogène liés par covalence à des atomes très électronégatifs et porteurs des doublets non liants tels que le fluor.
  • Les liaisons hydrogène sont plus fortes que les liaisons par effet de dispersion et les interactions intermoléculaires conventionnelles dipôle-dipôle.
  • Les matériaux ont des points de fusion et d’ébullition relativement élevés lorsqu’ils sont composés de molécules qui peuvent former des liaisons hydrogène.
  • Les liaisons hydrogène donnent à de nombreux polypeptides des formes tridimensionnelles spécifiques qui les rendent parfaitement adaptés à des fonctions biologiques spécifiques.
  • Il y a trois liaisons hydrogène entre les paires de bases complémentaires cytosine et guanine et deux liaisons hydrogène entre les paires de bases complémentaires adénine et thymine.

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