As-tu déjà sauté dans une piscine et touché l'eau avec ton ventre ou ton dos ? Ta peau finit par piquer un peu. L'effet est encore pire si tu as sauté de très haut sur un plongeoir. Alors pourquoi le fait de sauter dans l'eau est-il douloureux ?
C'est à cause de la liaison hydrogène. Dans ce résumé de cours, nous allons découvrir la liaison hydrogène comme type de liaison intermoléculaire et intramoléculaire et pourquoi elles rendent l'eau si solide.
- Ce résumé de cours porte sur la liaison hydrogène.
- Tout d'abord, nous allons définir la liaison chimique et l'attraction électrostatique.
- Ensuite, nous expliquerons l'atome électronégatif et comment générer les tendances de l'électronégativité à l'aide du tableau périodique.
- Puis, nous examinerons la liaison covalente, la force de van der Waals et la liaison hydrogène.
- Enfin, nous verrons la liaison intermoléculaire, intramoléculaire et le pont hydrogène formées par la liaison hydrogène.
Qu'est-ce qu'une liaison chimique ?
Une liaison chimique est une attraction entre deux ou plusieurs atomes qui forment un composé chimique.
Attraction électrostatique
Une grande partie de la chimie s'explique par l'attraction électrostatique entre des particules chargées positivement (comme les protons et les cations) et des particules chargées négativement (comme les électrons et les anions). La magnitude de l'attraction détermine la force et le type de liaison.
Tableau périodique : Électronégativité
Le tableau périodique peut être utilisé pour généraliser les tendances de l'électronégativité entre différents atomes. L'électronégativité d'un atome augmente lorsque tu te déplaces de gauche à droite le long d'une période du tableau périodique en raison d'une charge nucléaire croissante. L'électronégativité d'un atome diminuera en voyageant de haut en bas d'un groupe du tableau périodique en raison de l'augmentation des niveaux d'énergie.
L'électronégativité est le pouvoir et la capacité d'un atome à attirer et à tirer vers lui une paire d'électrons dans une liaison covalente.
Atome électronégatif
L'électronégativité d'un atome décrit sa capacité à attirer les électrons et à les tirer vers lui. L'échelle de Pauling attribue à un atome une valeur liée à son électronégativité qui peut être référencée sur le tableau périodique. Selon cette échelle, l'atome le plus électronégatif est le fluor.
L'échelle de Pauling est une échelle numérique d'électronégativités qui peut être utilisée pour prédire le pourcentage de caractère ionique ou covalent d'une liaison chimique. L'échelle de Pauling va de \( 0 \) à \( 4 \) .
Atome d'hydrogène
L'hydrogène est le premier élément du tableau périodique et se trouve dans le coin supérieur gauche. Le \( H \) du tableau périodique fait partie du groupe \( 1 \) et de la période \( 1 \) . Le groupe \( 1 \) est celui des métaux alcalins. L'atome d'hydrogène est classé comme un non-métal dans la plupart de ses formes, mais lorsqu'il est comprimé en un solide, il est un métal alcalin.
Ce groupe a pour caractéristique commune d'avoir une configuration électronique similaire dans sa couche externe et comprend des éléments tels que le lithium, le sodium et le potassium. Les éléments du groupe \( 1 \) forment également des oxydes, des halogénures et des sulfures avec d'autres éléments, ce que fait l'hydrogène.
Bien que l'atome d'hydrogène partage ces caractéristiques, il partage également des caractéristiques avec les halogènes, qui sont des éléments du groupe \( 7 \) . Ces éléments ont une enthalpie d'ionisation élevée, ce qui signifie qu'ils ne cèdent pas facilement un électron, ce qui est une caractéristique de l'hydrogène. Les halogènes existent également sous forme de molécules diatomiques.
Qu'est-ce qu'une liaison covalente ?
La liaison covalente est une liaison interatomique qui résulte du partage d'une paire d'électrons entre deux atomes.
La force d'une liaison covalente dépend fortement des électronégativités des deux atomes liés (en particulier de la différence entre les électronégativités des atomes liés). Les molécules diatomiques homonucléaires présentent des liaisons covalentes relativement "pures" puisque les électronégativités des atomes liés sont les mêmes (ce qui fait que la paire d'électrons liée est presque équidistante des deux noyaux liés). Des exemples de telles liaisons covalentes peuvent être observés dans les molécules de \( H_2 \) , de \( Cl_2 \) et de \( O_2 \) .
En revanche, les liaisons covalentes entre deux espèces d'électronégativités différentes ont tendance à se polariser. Cela se produit parce que l'atome le plus électronégatif rapproche la paire d'électrons de la liaison, développant au passage une charge partiellement négative \( \delta - \) . Dans le même temps, l'atome le plus électropositif développe une charge positive partielle \( \delta + \) . Ces charges partielles sont responsables de la polarité de la liaison chimique.
La force de Van der Waals
Les forces qui maintiennent les atomes ensemble au sein d'une molécule sont appelées forces intramoléculaires. Les forces qui existent entre les molécules sont appelées forces intermoléculaires.
La force de Van der Waals est une force intermoléculaire faible qui dépende de la distance entre les atomes ou les molécules. Cette force résulte des interactions entre les atomes ou molécules non chargés.
Définiton de la liaison hydrogène
La liaison hydrogène est une catégorie particulière de forces intermoléculaires attractives résultant de l'interaction dipôle-dipôle entre un atome d'hydrogène lié à un atome fortement électronégatif et un autre atome fortement électronégatif situé à proximité de l'atome d'hydrogène.
Dans les molécules d'eau \( (H_2O) \) , l'hydrogène est lié par covalence à l'atome d'oxygène, plus électronégatif. Par conséquent, la liaison hydrogène se produit dans les molécules d'eau en raison des interactions dipôle-dipôle entre l'atome d'hydrogène d'une molécule d'eau et l'atome d'oxygène d'une autre molécule \( H_2O \) .
Fig.1- Liaison hydrogène dans l'eau.
Ici, l'emplacement de la paire d'électrons de liaison dans la liaison \( O-H \) est très proche du noyau d'oxygène (en raison de la grande différence entre les électronégativités de l'oxygène et de l'hydrogène). Par conséquent, l'atome d'oxygène développe une charge négative partielle \( \delta - \) et l'atome d'hydrogène développe une charge positive partielle \( \delta + \) . Maintenant, la liaison hydrogène peut se produire en raison de l'attraction électrostatique entre l'atome d'hydrogène d'une molécule d'eau (avec une charge \( \delta + \) ) et l'atome d'oxygène d'une autre molécule d'eau (avec une charge \( \delta - \) ). Ainsi, les liaisons hydrogène constituent une catégorie très particulière de forces attractives intermoléculaires qui n'apparaissent que dans les composés comportant des atomes d'hydrogène liés à un atome fortement électronégatif. Les liaisons hydrogène sont généralement fortes par rapport aux forces dipôle-dipôle et de dispersion normales. Toutefois, elles sont faibles par rapport aux véritables liaisons covalentes ou ioniques.
Fig. 2- Liaisons hydrogène entre les molécules d'eau.
Comment se forme la liaison hydrogène ?
La liaison hydrogène peut se former grâce à un dipôle de liaison.
Un dipôle de liaison est une séparation de charges opposées à travers une liaison.
Lorsque l'hydrogène est lié à \( N \) , \( O \) ou \( F \) , il existe une différence significative d'électronégativité entre l'hydrogène et l'autre atome. De ce fait, la densité électronique est attirée vers cet atome, laissant l'hydrogène avec un manque de densité électronique. Cela provoque un dipôle.
Dans ce dipôle, l'autre atome a un excès de densité électronique, il a donc une charge négative partielle \( ( \delta- ) \) . L'hydrogène, quant à lui, manque de densité électronique, il a donc une charge positive partielle \( ( \delta+ ) \) . Cette charge positive partielle est la clé de la liaison hydrogène.
Puisque l'hydrogène veut vraiment une densité électronique, il va s'attaquer aux paires isolées.
Les paires solitaires sont des paires d'électrons qui ne participent pas à la liaison. Ces électrons sont des électrons de valence, ce qui signifie qu'ils se trouvent dans la couche électronique la plus externe de l'atome et dans le niveau d'énergie le plus élevé.
Comme les électrons de l'autre atome participent à la liaison, les paires solitaires constituent une cible parfaite pour l'hydrogène.
La liaison hydrogène décrit l'attraction entre ces électrons et l'hydrogène de charge positif partielle.
Bien que les liaisons hydrogène soient l'une des forces intermoléculaires (forces entre les molécules) les plus puissantes, elles sont encore assez faibles par rapport aux liaisons covalentes (liaisons où les électrons sont partagés). Les liaisons hydrogène ont environ \( \frac{1}{10^{ème}} \) de la force d'une liaison covalente, et sont constamment rompues et reformées dans l'eau liquide.
Types de liaisons hydrogènes
Il existe quatre grands types de liaisons hydrogène :
- La liaison hydrogène intermoléculaire
- Liaison hydrogène intramoléculaire
- Liaison \( \pi \) -hydrogène avec les composés aromatiques.
Liaison intermoléculaire
Lorsque la liaison hydrogène a lieu entre différentes molécules de composés identiques ou différents, on parle de liaison hydrogène intermoléculaire.
Par exemple, la liaison hydrogène dans l'eau, l'alcool, l'ammoniac, etc.
Liaison intramoléculaire
La liaison hydrogène qui a lieu au sein même d'une molécule est appelée liaison hydrogène intramoléculaire.
Elle a lieu dans des composés contenant deux groupes tels qu'un groupe contient un atome d'hydrogène lié à un atome électronégatif et l'autre groupe contient un atome hautement électronégatif lié à un atome moins électronégatif de l'autre groupe.
La liaison se forme entre les atomes d'hydrogène d'un groupe et l'atome le plus électronégatif de l'autre groupe.
Pont hydrogène
Il existe deux autres types de liaisons hydrogène que nous allons aborder brièvement : les ponts hydrogène et les liaisons \( \pi \) -hydrogène avec les composés aromatiques.
Les ponts hydrogène sont un type de liaison hydrogène où l'atome donneur (atome auquel l'hydrogène est lié) et l'atome accepteur (atome auquel l'hydrogène est attiré) sont "entièrement chargés" (c'est-à-dire des ions).
Dans ce cas, les atomes impliqués (outre l'hydrogène) sont des ions.
Liaison \( \pi \) -hydrogène avec les composés aromatiques
Ensuite, nous avons la liaison \( \pi \) -hydrogène avec les composés aromatiques.
Un cycle aromatique est une structure cyclique carbonée avec une alternance de liaisons simples et doubles. Les charges partielles présentes sur chaque carbone font que le cycle est un accepteur de liaison hydrogène (c'est-à-dire que l'hydrogène est attiré par lui).
Importance de la liaison hydrogène
La liaison hydrogène est une force incroyablement importante. Voici quelques exemples de son rôle essentiel dans la vie :
- Les liaisons hydrogène stabilisent les structures de \( l'ADN \) et des protéines.
- L'eau peut se lier par hydrogène aux parois cellulaires des plantes. C'est pourquoi l'eau peut "grimper" le long des racines des plantes.
- Les anticorps utilisent la liaison hydrogène pour cibler et "s'adapter" à une espèce spécifique qui attaque le corps.
- Les liaisons hydrogène maintiennent le point d'ébullition de l'eau à un niveau élevé, de sorte que les océans, les lacs et les mers ne se dissolvent pas rapidement.
Voilà tu comprends maintenant pourquoi les liaisons hydrogène sont si importantes !
Liaison hydrogène - Points clés
- La liaison chimique est une attraction entre deux ou plusieurs atomes qui forment un composé chimique.
- La magnitude de l'attraction électrostatique entre deux atomes détermine la force et le type de liaison.
- Le tableau périodique peut être utilisé pour généraliser les tendances de l'électronégativité entre différents atomes.
- L'atome électronégatif est décrit par sa capacité à attirer les électrons et à les tirer vers lui.
- L'atome d'hydrogène fait partie du groupe \( 1 \) et période \( 1 \) du tableau périodique.
- Les liaisons covalentes entre deux espèces d'électronégativités différentes ont tendance à se polariser.
- Les forces de Van der Waals sont des forces intermoléculaires faibles qui résultent des interactions entre les atomes ou molécules non chargés.
- La liaison hydrogène est une force intermoléculaire attractive résultant de l'interaction dipôle-dipôle.
- La liaison hydrogène peut se produire grâce à un dipôle de liaison.
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