Vidéo de la leçon : Liaison hydrogène Chimie

Transcription de vidéo

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.