Sciences · Chimie
Liaison hydrogène
La liaison hydrogène est une attraction entre un hydrogène lié à N, O ou F et un doublet libre d’un atome voisin. Faible, elle explique pourtant les propriétés de l’eau et la structure de l’ADN.
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La liaison hydrogène, parfois appelée « pont hydrogène », n’est pas une liaison chimique au sens strict : elle ne lie pas deux atomes en partageant des électrons, mais attire deux molécules (ou deux parties d’une même molécule). Environ dix à vingt fois plus faible qu’une liaison covalente, elle est pourtant la plus forte des interactions intermoléculaires, et sans elle l’eau serait un gaz à température ambiante.
Comment se forme-t-elle ?
L’azote, l’oxygène et le fluor sont très électronégatifs. Lié à l’un d’eux, l’hydrogène voit son unique électron fortement attiré : il porte une charge partielle positive marquée (δ+) et, très petit, il peut s’approcher très près d’un autre atome. Si cet atome porte un doublet libre et une charge partielle négative, une attraction s’établit.
Deux rôles se distinguent :
- le donneur : la molécule qui porte le H lié à N, O ou F ;
- l'accepteur : l’atome électronégatif porteur d’un doublet libre.
La liaison est plus forte quand les trois atomes X, H et Y sont alignés.
Quelle est sa force ?
| Interaction | Énergie typique (kJ/mol) | Distance |
|---|---|---|
| Liaison covalente O–H | ≈ 460 | ≈ 96 pm |
| Liaison hydrogène O–H···O dans l’eau | ≈ 20 | ≈ 180 pm (H···O) |
| Forces de Van der Waals | 0,5 à 10 | variable |
La liaison hydrogène se situe donc entre les liaisons fortes et les forces de Van der Waals, avec des valeurs allant d’environ 5 à 40 kJ/mol selon les atomes en jeu.
L’eau, molécule exceptionnelle
Chaque molécule d'eau possède deux hydrogènes et deux doublets libres : elle peut former jusqu’à quatre liaisons hydrogène. D’où plusieurs anomalies :
- Température d’ébullition élevée : 100 °C, alors que le sulfure d’hydrogène H₂S, molécule plus lourde de la même famille, bout vers −60 °C.
- Glace moins dense que l’eau : dans la glace, les liaisons hydrogène imposent un réseau hexagonal ouvert. La glace flotte, et les lacs gèlent par la surface, ce qui protège la vie aquatique.
- Maximum de densité à 4 °C pour l’eau liquide.
- Forte capacité thermique et tension superficielle élevée : il faut beaucoup d’énergie pour rompre le réseau de liaisons.
- Pouvoir solvant : l’eau dissout les molécules capables de former elles aussi des liaisons hydrogène (sucres, alcools courts).
Comparer les températures d’ébullition
| Composé | Masse molaire (g/mol) | Liaison H possible | Ébullition |
|---|---|---|---|
| CH₄ (méthane) | 16 | non | −161 °C |
| NH₃ (ammoniac) | 17 | oui | −33 °C |
| H₂O (eau) | 18 | oui | 100 °C |
| HF (fluorure d’hydrogène) | 20 | oui | ≈ 20 °C |
| H₂S | 34 | très faible | ≈ −60 °C |
À masse voisine, les molécules qui forment des liaisons hydrogène bouillent bien plus haut.
Dans le vivant
- ADN : les deux brins de la double hélice sont tenus par des liaisons hydrogène entre bases complémentaires, deux pour A–T, trois pour G–C. Assez solides pour conserver l’information, assez faibles pour que les brins s’ouvrent lors de la réplication. Voir l'ADN.
- Protéines : les hélices α et les feuillets β, structures secondaires des protéines, sont stabilisés par des liaisons hydrogène entre groupes C=O et N–H de la chaîne.
- Cellulose : les chaînes de glucose sont reliées par de nombreuses liaisons hydrogène, d’où la solidité des fibres de bois et de coton.
Dans les matériaux
Le nylon et le Kevlar doivent leur résistance aux liaisons hydrogène entre chaînes de polymères. Les alcools et les acides carboxyliques bouillent plus haut que les hydrocarbures de même taille pour la même raison ; les acides carboxyliques forment même des dimères en phase vapeur.
Questions fréquentes
Pourquoi seulement N, O et F ?
Ce sont les trois éléments à la fois très électronégatifs et petits. Le chlore, presque aussi électronégatif que l’azote mais plus gros, ne forme que des liaisons hydrogène très faibles.
La liaison hydrogène est-elle une liaison chimique ?
C’est une interaction intermoléculaire, de nature surtout électrostatique, avec une petite part de partage électronique. Elle se rompt et se reforme sans cesse dans l’eau liquide, en quelques picosecondes.
Faire bouillir l’eau casse-t-il les molécules ?
Non. L’ébullition rompt les liaisons hydrogène entre molécules ; les liaisons O–H internes restent intactes. La vapeur est toujours de l’H₂O.