Bio - 1. évolution et origine du vivant 1.3. La chimie du vivant (pt. 9 : Les liaisons chimiques et l’eau (XVI.6 à XVI.17 : covalente, ionique, hydrogène, van der Waals, singularité de l’eau, l’eau comme solvant))

Quels atomes forment des liaisons chimiques fortes, et comment ?

Les atomes ayant leur couche périphérique incomplète interagissent avec d'autres atomes pour former des molécules, par mise en commun ou transfert d'électron(s) de valence (couche externe).

Quelle est l'énergie des liaisons fortes et quelles sont-elles ?

50 à 200 kcal/mol. Ce sont la liaison covalente et la liaison ionique.

Qu'est-ce qui distingue une liaison forte d'une liaison faible ?

L'énergie qu'il faut apporter pour briser l'interaction. Fortes : 50 à 200 kcal/mol.

Faibles : en dessous de 10, entre 1 et 5.

Ces liaisons sont par ailleurs plus ou moins spontanées suivant la réactivité chimique des éléments qui se rencontrent.

Que peut-on dire des éléments possédant le même nombre d'électrons de valence ?

Ils sont dans la même colonne du tableau périodique et ont des propriétés chimiques semblables.

Pourquoi les gaz rares sont-ils inertes ?

Parce qu'ils possèdent 8 électrons de valence : leur couche électronique dernière, avec 8 électrons, est complète. Ils ne réagissent avec rien et ne se combinent avec rien. Exception : la première couche est complète avec DEUX électrons, comme chez l'hélium.

Qu'est-ce que l'électronégativité ?

La tendance d'un atome à attirer vers lui les électrons d'une liaison chimique. Chaque atome a un certain pouvoir de retenir ses propres électrons et d'attirer vers lui les électrons d'autres atomes.

Quelle échelle mesure l'électronégativité et quelles en sont les bornes ?

L'échelle de Linus Pauling. Du francium (Fr = 0,79), le moins électronégatif, au fluor (F = 3,98), le plus électronégatif.

Qu'est-ce qu'une liaison covalente ?

Deux atomes mettent en commun un ou plusieurs électrons, dans le but de compléter la dernière couche électronique, qui est la forme la plus stable. Il y a mise en commun des électrons périphériques.

Pourquoi les liaisons covalentes sont-elles importantes ?

Ce sont souvent des liaisons très solides, responsables de la stabilité des molécules ainsi formées.

Donnez quatre exemples de molécules à liaisons covalentes.

(a) Dihydrogène H2 : deux atomes d'hydrogène forment une liaison SIMPLE.

(b) Dioxygène O2 : deux atomes d'oxygène forment une liaison DOUBLE, en mettant en commun deux paires d'électrons.

(c) Eau H2O : deux atomes d'hydrogène s'unissent à un atome d'oxygène par des liaisons covalentes simples.

(d) Méthane CH4 : quatre atomes d'hydrogène permettent de combler le dernier niveau énergétique d'un atome de carbone.

Sous quelle forme l'hydrogène gazeux existe-t-il ?

Pas sous la forme monoatomique, mais toujours sous la forme moléculaire H2.

Qu'est-ce qu'une liaison covalente NON polaire ? Donnez des exemples.

Liaison entre deux atomes identiques ou d'électronégativités similaires. Exemples : H2, O2, CH4. Critère : delta En (différence d'électronégativité) inférieur ou égal à 0,4.

Qu'est-ce qu'une liaison covalente POLAIRE ?

L'un des atomes est beaucoup plus électronégatif et attire les électrons de la liaison vers lui, d'où l'apparition de charges partielles (delta moins et delta plus). Critère : 0,4 < delta En < 1,7.

Décrivez la polarité de la molécule d'eau.

L'oxygène, beaucoup plus électronégatif que l'hydrogène, attire les électrons mis en commun dans la liaison. Cette répartition inégale confère à l'oxygène une charge partielle NÉGATIVE (delta moins) et à chaque hydrogène une charge partielle POSITIVE (delta plus), par appauvrissement en charges négatives. Différence d'électronégativité entre O et H : 1,24. C'est ce qui confère à l'eau ses caractéristiques particulières : un dipôle électrique permanent.

Quel est le lien entre différence d'électronégativité et réactivité ?

Plus la différence d'électronégativité entre deux éléments est grande, plus ils auront tendance à réagir.

Qu'est-ce qu'une liaison ionique ?

Lorsque deux atomes exercent des attractions très inégales sur les électrons qui forment la liaison, le plus électronégatif ARRACHE COMPLÈTEMENT un électron à l'autre atome. Critère : delta En supérieur ou égal à 1,7.

Décrivez la formation du chlorure de sodium (NaCl).

Le sodium cède son unique électron de valence au chlore, qui en possède sept. Chaque ion ainsi formé a son dernier niveau énergétique saturé, et une liaison ionique peut s'établir entre des ions de charges opposées. Formation d'ions Na+ (cations) et Cl- (anions). Électronégativités : Na = 0,93 et Cl = 3,16.

Citez d'autres exemples de composés ioniques.

CaCl2 (le chlorure de calcium qu'on répand sur les routes pour dégeler) et NH4Cl.

Qu'est-ce qu'une liaison hydrogène ?

Un atome d'hydrogène lié de manière covalente à un atome électronégatif subit l'attraction d'un autre atome électronégatif. Le plus souvent : l'oxygène (O) et l'azote (N). Ce sont des liaisons intermoléculaires ou intramoléculaires. Exemple : l'eau.

Combien de temps dure une liaison hydrogène, et quelle est sa force relative ?

Elle dure 10 puissance -12 seconde : ces associations changent donc constamment. Elle est 20 fois plus faible que les liaisons covalentes et permet des contacts brefs entre les molécules.

Qu'est-ce qu'une interaction de van der Waals ?

Une molécule ayant des liaisons covalentes NON polaires peut présenter des régions chargées positivement et d'autres négativement. Ce sont des interactions électrostatiques basées sur l'attraction de régions chargées positivement d'une molécule et de régions chargées négativement d'une autre molécule (ou entre deux parties d'une macromolécule comme une protéine), par dipôle induit.

Expliquez le mécanisme du dipôle induit.

À tout moment, des oscillations aléatoires de la répartition du nuage électronique produisent un dipôle instantané. Ce dipôle instantané induit des dipôles dans les molécules voisines, et les dipôles induits s'attirent les uns les autres.

Comment le gecko adhère-t-il aux surfaces ?

Les pattes ont l'air petites mais la surface est très grande : elles sont couvertes de millions de poils microscopiques (setae), eux-mêmes ramifiés en centaines d'extrémités encore plus fines (spatulae). Prises une à une, les forces de van der Waals ne soulèveraient rien. Mais les ramifications de la patte épousent le moindre relief du substrat, ce qui crée des milliards de points de contact : leur somme suffit à porter l'animal.

Quel est l'effet des liaisons hydrogène sur la structure de l'eau ?

Les liaisons hydrogène rendent l'eau plus structurée que la plupart des liquides, et elles maintiennent ensemble les molécules d'eau.

Qu'est-ce que la cohésion et l'adhérence, et quel phénomène du vivant expliquent-elles ?

Cohésion : l'eau s'attire elle-même (molécule d'eau contre molécule d'eau).

Adhérence : l'eau est attirée par une autre surface. Elles expliquent le transport d'eau dans les plantes : pour les arbres, dans la colonne d'eau des arbres et des feuillages, toutes les molécules d'eau interagissent entre elles ET avec les parois des cellules conductrices pour monter.

Qu'est-ce que la tension superficielle et comment s'explique-t-elle ?

Elle reflète la difficulté d'étirer ou de briser la surface d'un liquide. Les molécules d'eau s'attirent entre elles par liaisons hydrogène ; celles de la surface, n'étant pas attirées vers le haut, le sont uniquement vers l'intérieur du liquide : cela crée une membrane élastique difficile à percer. C'est une conséquence de la COHÉSION.

Pourquoi la glace flotte-t-elle ?

Les liaisons hydrogène provoquent la flottabilité de la glace. Enchaînement : abaissement de température, puis stabilisation des liaisons hydrogène, puis les liaisons H gardent les molécules éloignées, puis formation d'un cristal (la glace) plus léger. La masse volumique de la glace est inférieure d'environ 10 % à celle de l'eau liquide (à 4 °C).

Pourquoi dit-on que l'eau est le solvant de la vie ?

Tous les êtres vivants sont constitués d'eau (50 à 60 % chez nous). Tous les éléments capables d'être dissous dans l'eau sont capables d'interagir avec les molécules d'eau ; si l'élément n'en est pas capable, la substance n'est pas soluble, comme l'huile.

Comment l'eau dissout-elle un composé ionique comme le NaCl ?

Les ions (Na+ et Cl-) ainsi que les molécules d'eau subissent une attraction mutuelle : les atomes d'oxygène de charge partielle négative subissent l'attraction des cations sodium, et les atomes d'hydrogène de charge partielle positive subissent l'attraction des anions chlorure. C'est le processus d'HYDRATATION : une enveloppe de molécules d'eau entoure chaque ion du soluté.

Pourquoi une protéine peut-elle être hydrosoluble ?

Parce que les régions ioniques ou polaires de la protéine interagissent avec l'eau : une charge partielle positive sur la molécule attire les oxygènes de l'eau, et une charge partielle négative attire les hydrogènes.