Chimie pour les non-majors

La liaison hydrogène

La force d’attraction entre les molécules d’eau est une interaction dipolaire. Les atomes d’hydrogène sont liés à l’atome d’oxygène hautement électronégatif (qui possède également deux ensembles d’électrons solitaires, ce qui constitue une liaison très polaire. L’atome d’hydrogène partiellement positif d’une molécule est alors attiré par l’atome d’oxygène d’une molécule d’eau voisine (voir la figure ci-dessous ).

Figure 1. Une liaison hydrogène dans l’eau se produit entre l’atome d’hydrogène d’une molécule d’eau et la paire d’électrons solitaires sur un atome d’oxygène d’une molécule d’eau voisine.

Une liaison hydrogène est une force d’attraction intermoléculaire dans laquelle un atome d’hydrogène lié par covalence à un petit atome très électronégatif est attiré par une paire d’électrons solitaires sur un atome d’une molécule voisine. Les liaisons hydrogène sont très fortes par rapport aux autres interactions dipolaires. La force d’une liaison hydrogène typique représente environ 5 % de celle d’une liaison covalente.

La liaison hydrogène ne se produit que dans les molécules où l’hydrogène est lié de manière covalente à l’un des trois éléments suivants : fluor, oxygène ou azote. Ces trois éléments sont si électronégatifs qu’ils retirent la majorité de la densité électronique dans la liaison covalente avec l’hydrogène, laissant l’atome H très déficitaire en électrons. L’atome H agit presque comme un proton nu, ce qui le laisse très attiré par les électrons solitaires d’un atome voisin.

La liaison hydrogène qui se produit dans l’eau conduit à certaines propriétés inhabituelles, mais très importantes. La plupart des composés moléculaires qui ont une masse similaire à celle de l’eau sont des gaz à température ambiante. Grâce aux fortes liaisons hydrogène, les molécules d’eau sont capables de rester condensées à l’état liquide. La figure ci-dessous montre comment la forme courbée et les deux atomes d’hydrogène par molécule permettent à chaque molécule d’eau d’être capable de se lier par hydrogène à deux autres molécules.

Figure 2. De multiples liaisons hydrogène se produisent simultanément dans l’eau en raison de sa forme courbée et de la présence de deux atomes d’hydrogène par molécule.

À l’état liquide, les liaisons hydrogène de l’eau peuvent se rompre et se reformer lorsque les molécules circulent d’un endroit à l’autre. Lorsque l’eau est refroidie, les molécules commencent à ralentir. Finalement, lorsque l’eau est gelée en glace, les liaisons hydrogène deviennent permanentes et forment un réseau très spécifique.

Figure 3. Lorsque l’eau gèle en glace, le réseau de liaisons hydrogène devient permanent. Chaque atome d’oxygène a une géométrie approximativement tétraédrique – deux liaisons covalentes et deux liaisons hydrogène.

La forme courbée des molécules entraîne des lacunes dans le réseau de liaison hydrogène de la glace. La glace a la propriété très inhabituelle que son état solide est moins dense que son état liquide. La glace flotte dans l’eau liquide. Pratiquement toutes les autres substances sont plus denses à l’état solide qu’à l’état liquide. Les liaisons hydrogène jouent un rôle biologique très important dans les structures physiques des protéines et des acides nucléiques.

Glossaire

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