Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire et à expliquer la liaison hydrogène
et son effet sur les propriétés physiques des molécules.
En chimie, nous parlons souvent des interactions et des forces d’attraction qui se
produisent à très petite échelle. Certaines forces d’attraction sont appelées les forces intermoléculaires. Les forces intermoléculaires sont des forces qui apparaissent entre différentes
molécules. Le préfixe « inter- » signifie entre, comme par exemple un problème international est
un problème entre deux ou plusieurs pays. La raison pour laquelle l’eau forme des gouttelettes composées de nombreuses
molécules, au lieu par exemple d’être dispersée en molécules isolées, est
l’existence de forces intermoléculaires qui maintiennent ces molécules d’eau
ensemble.
Le contraire d’une force intermoléculaire est une force intramoléculaire. Les forces intramoléculaires apparaissent dans une même molécule. Par exemple, les liaisons covalentes qui lient l’atome d’oxygène et les atomes
d’hydrogène d’une molécule d’eau sont des forces intramoléculaires. Ce sont les forces à l’intérieur de la molécule qui font qu’elle se tienne.
Une autre catégorie de force est celle des forces électrostatiques. Les forces électrostatiques sont des forces qui se produisent en raison de la charge
électrique des particules impliquées. Puisque nous parlons de forces d’attraction, concentrons-nous sur l’interaction
électrostatique entre une particule chargée positivement et une particule chargée
négativement. Mais il convient de noter qu’il peut également exister une répulsion électrostatique
lorsque les charges sont les mêmes. Les interactions électrostatiques peuvent se produire à la fois au niveau
intramoléculaire et intermoléculaire. Par exemple, une liaison ionique entre un ion positif et un ion négatif est une force
intramoléculaire, mais également une force électrostatique.
Un exemple de force électrostatique intermoléculaire est la force qui existe entre
des molécules polaires. Les molécules polaires, comme le bromure d’hydrogène dessiné ici, ont une extrémité
légèrement positive et l’autre extrémité légèrement négative. Une force électrostatique intermoléculaire qui attire l’extrémité partiellement
positive d’une molécule polaire vers l’extrémité partiellement négative d’une autre
molécule se crée. Puisque les molécules polaires sont également appelées dipôles, nous appelons cette
interaction une interaction dipôle-dipôle. Le sujet de cette vidéo est la liaison hydrogène. La liaison hydrogène est une force intermoléculaire, et également une force
électrostatique, qui se produit dans une situation très précise. Maintenant que nous avons vu les forces d’attraction en général, examinons
précisément la liaison hydrogène.
Il existe deux conditions essentielles à la formation d’une liaison hydrogène. La première condition est la présence d’un atome fortement électronégatif. Le fluor avec une électronégativité de 4,0, l’oxygène avec une électronégativité de
3,5, et l’azote avec une électronégativité de 3,0 remplissent tous cette
condition. Exceptionnellement dans certaines molécules, d’autres atomes comme le soufre et le
chlore peuvent également former des liaisons hydrogène. Le chlore a une valeur d’électronégativité élevée de 3,2, mais ne forme des liaisons
hydrogène que dans des cas particuliers. Bien que la raison précise soit au-delà de la portée de cette vidéo, elle tient au
fait que le rayon du chlore étant plus grand, sa charge est répartie dans un plus
grand espace.
La deuxième condition fondamentale pour former une liaison hydrogène est que l’atome
électronégatif doit être lié à un atome d’hydrogène. L’hydrogène partagera son électron célibataire avec l’autre atome via une liaison
covalente. Deux atomes proches l’un de l’autre qui remplissent ces deux conditions peuvent
former une liaison hydrogène entre l’atome d’hydrogène d’une molécule et l’atome
électronégatif de l’autre molécule. Dans une solution qui contient de nombreuses molécules de ce type, chacune d’entre
elles peut former une ou plusieurs liaisons hydrogène avec les molécules
environnantes.
Il convient de noter que l’atome électronégatif et l’atome d’hydrogène ne doivent pas
nécessairement être les seuls atomes de la molécule. Par exemple, un alcool comme le méthanol remplit les deux conditions. Il possède un atome électronégatif, l’oxygène, lié à un atome d’hydrogène. Une liaison hydrogène peut donc se former entre l’atome d’hydrogène d’une molécule et
l’atome d’oxygène d’une molécule voisine.
Il faut également noter que les molécules ne doivent pas forcément être toutes les
mêmes pour que des liaisons hydrogène se forment. Par exemple, si nous mélangions les solutions des deux composés dessinés ici, des
liaisons hydrogène apparaîtraient entre l’atome électronégatif d’un type de molécule
et les atomes d’hydrogène de l’autre type de molécule. Nous connaissons donc les conditions requises à la formation d’une liaison
hydrogène. Mais la question demeure : pourquoi la liaison hydrogène se forme-t-elle ? Quelle est la particularité de cet arrangement ? Pour répondre à cette question, examinons les électrons engagés. La liaison covalente entre le chlore et l’hydrogène suppose le partage d’une paire
d’électrons. Puisque le fluor est plus électronégatif que l’hydrogène, les électrons partagés
seront plus attirés par l’atome de fluor que par l’atome d’hydrogène.
Puisque l’atome d’hydrogène n’a qu’un seul électron, le partage de cet électron
confère à l’atome d’hydrogène une densité électronique très basse. En conséquence, il a une charge positive partielle particulièrement élevée. Inversement, ce partage inégal des électrons donne au côté fluor de la molécule une
forte charge négative partielle. Ici, l’interaction entre l’extrémité positive d’une molécule et l’extrémité négative
d’une molécule voisine est appelée une liaison hydrogène. Plus précisément, l’atome d’hydrogène chargé positivement est attiré par un doublet
non liant de l’atome de fluor. Il faut noter que les liaisons hydrogène sont environ deux fois plus longues que les
liaisons covalentes d’une molécule, bien que les tailles de ces deux types de
liaisons puissent varier.
Dans cet exemple et dans d’autres cas, ces liaisons ne sont pas toujours dessinées
proportionnellement. Mais si nous le faisions, cela donnerait quelque chose comme ça, avec la liaison
hydrogène environ deux fois plus longue que les liaisons covalentes. On peut résumer ce phénomène par cette définition : Une liaison hydrogène est une interaction électrostatique intermoléculaire entre un
atome d’hydrogène avec une forte charge positive partielle et un atome fortement
électronégatif d’une autre molécule. La liaison hydrogène est une attraction électrostatique intermoléculaire
particulièrement forte. C’est une interaction forte car les charges partielles engagées de chaque côté de la
liaison hydrogène sont également particulièrement fortes.
Examinons de plus près la force des liaisons hydrogène par rapport aux autres
forces. Lorsqu’on classe les forces d’attraction selon leur intensité, la première
constatation est que les forces intramoléculaires sont plus fortes que les forces
intermoléculaires. Il est logique que les forces qui maintiennent ensemble une molécule soient plus
fortes que les forces qui maintiennent ensemble deux molécules distinctes, car il
devrait être plus facile de séparer deux molécules que de séparer les parties
constitutives d’une même molécule. Dans chacune de ces deux catégories, on peut classer les forces individuelles en
fonction de leur intensité selon un principe simple.
Dans ces deux catégories, plus la différence de charge est grande, plus l’interaction
entre les particules est forte. Deux des forces intramoléculaires les plus fortes sont les liaisons métalliques et
les liaisons ioniques. Ces liaisons engagent des ions positifs et des ions négatifs, ou des ions positifs et
des électrons avec des charges complètes, et donc une très forte interaction. Par ordre décroissant de force, nous avons : les liaisons covalentes polaires entre
atomes uniquement porteurs de charges partielles en raison du partage inégal des
électrons ; les liaisons covalentes non polaires qui sont des forces d’attraction encore plus
faibles car il n’y a pas de différence de charge entre les particules engagées dans
la liaison.
En regardant diverses forces intermoléculaires, on peut les classer en suivant le
même raisonnement. Les liaisons hydrogène et les interactions dipôle-dipôle engagent des charges
partielles. Cependant, la grande différence d’électronégativité d’une liaison hydrogène rend les
charges partielles particulièrement fortes, ce qui génère une interaction plus forte
qu’une interaction dipôle-dipôle ordinaire. Une interaction dipolaire induite par un dipôle est plus faible qu’une interaction
dipôle-dipôle car, au lieu d’être entre deux particules de charges partielles
opposées, elle aura lieu entre une particule partiellement chargée et une molécule
non polaire. La molécule non polaire ne développe qu’une faible zone de charge temporaire en
présence de l’autre molécule.
Les forces intermoléculaires les plus faibles (les forces de dispersion de London)
apparaissent entre n’importe quel duo de molécules, même s’il n’existe aucune
différence de charge entre elles. Vous pouvez trouver plus de détails sur ces différentes forces dans d’autres
vidéos. Globalement, on constate qu’une liaison hydrogène se traduit par une forte
interaction intermoléculaire. La présence d’une liaison hydrogène peut affecter les propriétés physiques d’une
substance, notamment son point d’ébullition. Par exemple, les molécules d’eau forment des liaisons hydrogène entre l’atome
d’oxygène d’une molécule et l’atome d’hydrogène d’une molécule voisine. En revanche, le sulfure d’hydrogène n’a pas de liaisons hydrogène, bien que les
interactions dipôle-dipôle soient plus faibles.
Lorsqu’on fait bouillir une substance comme de l’eau, on fournit de l’énergie aux
molécules jusqu’à ce qu’elles se transforment en gaz. Puisqu’il existe une forte force d’attraction entre une molécule d’eau et celles qui
l’entourent, il faut plus d’énergie pour que cette molécule d’eau passe à l’état
gazeux. Ce besoin énergétique élève le point d’ébullition de la substance. Inversement, lorsqu’on fait bouillir du sulfure d’hydrogène, une molécule qui ne
forme pas de liaisons hydrogène, il n’y a que les interactions dipôle-dipôle faibles
à surmonter. En conséquence, il faut moins d’énergie pour passer à l’état gazeux. Le point d’ébullition sera donc inférieur à celui de substances similaires qui
forment des liaisons hydrogène. Dans l’ensemble, on constate que l’existence de liaisons hydrogène augmente le point
d’ébullition de la substance.
Le nombre de liaisons hydrogène que forme une molécule influence également le point
d’ébullition. Chaque molécule d’eau possède deux doublets non liants sur l’atome d’oxygène, et deux
atomes d’hydrogène. Ainsi, chaque molécule peut former un total de quatre liaisons hydrogène. Le fluorure d’hydrogène peut également former des liaisons hydrogène. Avec une liaison hydrogène à chaque extrémité, chaque molécule forme deux liaisons
hydrogène. Chaque liaison se forme entre l’atome d’hydrogène d’une molécule et le doublet non
liant d’une autre. Bien qu’il y ait au total trois paires de doublets non liants sur l’atome de fluor,
il n’y a assez d’atomes d’hydrogène que pour former une liaison hydrogène avec un
seul doublet non liant par molécule. En conséquence, le nombre de liaisons hydrogène est limité à deux par molécule.
Comment le nombre de liaisons hydrogène peut-il affecter le point d’ébullition ? L’eau a plus de liaisons hydrogène par molécule que le fluorure d’hydrogène. Avec une interaction plus forte entre les molécules, il faut plus d’énergie pour
faire passer les molécules à l’état gazeux. Par conséquent, le point d’ébullition est plus élevé. En comparaison, il y a moins de liaisons hydrogène par molécule dans le fluorure
d’hydrogène. Il faut donc moins d’énergie pour faire passer les molécules à l’état gazeux. Et son point d’ébullition sera inférieur à celui de l’eau, bien qu’il soit toujours
supérieur à celui de molécules similaires sans aucune liaison hydrogène.
Nous pouvons observer la sévérité de l’effet de la liaison hydrogène sur le point
d’ébullition en regardant ce graphique qui présente les points d’ébullition de
divers hydrures ou combinaisons d’hydrogène et d’un autre élément. Comme indiqué par la légende sur le graphique, chaque ligne colorée représente un
groupe du tableau périodique. Par exemple, la ligne verte représente les hydrures des éléments du groupe 16. Et en nous déplaçant vers la droite dans le graphique, nous descendons dans le
groupe, en passant de l’oxygène au soufre, au sélénium, et au tellure. Si on regarde les deuxième, troisième et quatrième points le long de chaque droite,
on peut voir que le point d’ébullition de l’hydrure augmente avec sa masse
moléculaire.
Si on prend par exemple le sulfure d’hydrogène et que l’on remplace le soufre par du
sélénium ou du tellure (les éléments une et deux périodes en dessous du soufre dans
le tableau périodique), la structure de la molécule sera très similaire. Mais la masse moléculaire sera plus élevée, et donc le point d’ébullition aussi. Même si les mécanismes précis de ce phénomène dépassent le cadre de cette vidéo, on
peut brièvement expliquer qu’un composé de masse moléculaire plus élevée a des
forces de dispersion de London plus fortes entre ses molécules. Des forces d’attraction plus fortes entrainent un point d’ébullition plus élevé. Cependant, si on étudie la partie la plus à gauche du graphique, on remarque que
quelques points s’écartent clairement de cette tendance. Parmi les hydrures représentés sur ce graphique, ces trois ci sont ceux qui forment
des liaisons hydrogène.
Comme mentionné précédemment, la différence d’électronégativité dans ces trois
liaisons est suffisamment grande pour permettre la formation de liaisons hydrogène
entre ces molécules. Même si ces trois molécules ont une masse moléculaire inférieure à celle des autres
hydrures du graphique, la présence de liaisons hydrogène augmente leur point
d’ébullition. Le fait que le méthane CH4, qui ne forme pas de liaisons hydrogènes, suive la
tendance basée sur la masse confirme l’idée que ces trois valeurs anormalement
élevées au-dessus du méthane sont dues à la présence de liaisons hydrogènes. De plus, l’eau, qui forme quatre liaisons hydrogène par molécule, a le point
d’ébullition le plus élevé de tous les hydrures du graphique.
Le fluorure d’hydrogène et l’ammoniac, en revanche, ont deux liaisons hydrogène par
molécule. Avec moins de liaisons hydrogène par molécule, la force d’attraction entre deux
molécules données est plus faible. Et par conséquent, le composé a un point d’ébullition inférieur. Dans l’ensemble, ce graphique nous indique d’un point de vue quantitatif que la
présence de liaisons hydrogène, ainsi que leur nombre par molécule, peut augmenter
le point d’ébullition d’un composé.
Les liaisons hydrogènes jouent également un rôle important en biologie. Vous connaissez sans doute la forme en double hélice des brins d’ADN. Ce qui est moins évident, c’est que la structure en double hélice de l’ADN est
maintenue par des liaisons hydrogène. Chaque « barreau » de l’échelle est en réalité constitué de deux bases distinctes
tournées vers l’intérieur et reliées au centre par deux ou trois liaisons
hydrogène. Le nombre et l’alignement de ces liaisons hydrogène garantit que l’adénine est
toujours en face de la thymine, et que la cytosine est toujours en face de la
guanine et vice versa. Ces quatre bases sont souvent abrégées en la première lettre de leur nom, A, C, T et
G. Les informations de notre code génétique sont écrites avec ces quatre lettres.
Les liaisons hydrogène présentes entre les deux côtés opposés de l'hélice sont
complémentaires l'une de l'autre, ce qui permet aux deux brins de se séparer, d'être
copiés et de se rattacher. L’ADN contient des instructions permettant aux cellules de fabriquer des protéines en
organisant les acides aminés en série. Ces protéines peuvent alors remplir diverses fonctions à l’intérieur et à l’extérieur
de la cellule. Cependant, la fonction d’une protéine dépend non seulement de l’ordre des acides
aminés dans la chaîne, mais également de la façon dont elle se tord et se plie selon
les attractions et les répulsions entre les différentes régions de cette chaîne. Les hélices et les feuillets qui se forment dans une protéine repliée sont en partie
dus aux liaisons hydrogène entre différents acides aminés de la chaîne. Sans liaison hydrogène, les protéines seraient incapables de former les
configurations spéciales qui leurs permettent de compléter leurs fonctions
spécifiques. A l’échelle la plus petite, la liaison hydrogène est essentielle aux fonctions
vitales.
Passons en revue les points clés de la vidéo. La liaison hydrogène est une force d’attraction intermoléculaire forte. La liaison hydrogène se produit entre un atome fortement électronégatif d’une
molécule et un atome d’hydrogène d’une autre molécule porteur d’une forte charge
positive partielle. Cela signifie que, en général, des liaisons hydrogène se forment dans des composés
contenant des liaisons F-H, N-H ou O-H, bien qu’il existe d’autres arrangements
moléculaires où se forment également des liaisons hydrogène. Les substances contenant des liaisons hydrogène ont un point d’ébullition plus élevé
que celui des autres molécules de taille similaire. Enfin, les liaisons hydrogène sont essentielles à la structure de l’ADN et des
protéines.