Biologie pour les majors I

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Classification des différents types de liaisons atomiques

Lorsque les atomes se lient entre eux, ils créent des éléments. Les différents types de liaisons (ioniques et covalentes, polaires et non polaires) ont un impact sur les éléments qu’ils créent. Comprendre les types de liaisons qui créent des éléments peut nous aider à comprendre ces éléments eux-mêmes.

Objectifs d’apprentissage

  • Décrire les caractéristiques des liaisons ioniques et identifier les ions communs
  • Décrire les caractéristiques des liaisons covalentes et différencier les liaisons polaires et les liaisons nonpolaires
  • Modéliser une liaison hydrogène et identifier ses qualités uniques

Les liaisons ioniques

Certains atomes sont plus stables lorsqu’ils gagnent ou perdent un électron (ou éventuellement deux) et forment des ions. Cela remplit leur enveloppe électronique la plus externe et les rend énergétiquement plus stables. Comme le nombre d’électrons n’est pas égal au nombre de protons, chaque ion a une charge nette. Les cations sont des ions positifs qui se forment en perdant des électrons. Les ions négatifs sont formés en gagnant des électrons et sont appelés anions. Les anions sont désignés par leur nom élémentaire modifié pour se terminer par « -ide » : l’anion du chlore est appelé chlorure, et l’anion du soufre est appelé sulfure, par exemple.

Ce mouvement des électrons d’un élément à l’autre est appelé transfert d’électrons. Comme l’illustre la figure 1, le sodium (Na) ne possède qu’un seul électron dans sa coquille électronique externe. Il faut moins d’énergie au sodium pour donner cet électron que pour accepter sept électrons supplémentaires pour remplir la coquille externe. Si le sodium perd un électron, il a maintenant 11 protons, 11 neutrons et seulement 10 électrons, ce qui lui donne une charge globale de +1. Il est alors appelé ion sodium. Le chlore (Cl), dans son état d’énergie le plus bas (appelé état fondamental), possède sept électrons dans son enveloppe extérieure. Là encore, il est plus efficace d’un point de vue énergétique pour le chlore de gagner un électron que d’en perdre sept. Par conséquent, il a tendance à gagner un électron pour créer un ion avec 17 protons, 17 neutrons et 18 électrons, ce qui lui donne une charge négative nette (-1). On parle alors d’ion chlorure. Dans cet exemple, le sodium donne son électron pour vider sa coquille, et le chlore accepte cet électron pour remplir sa coquille. Les deux ions satisfont maintenant à la règle de l’octuor et ont des enveloppes extérieures complètes. Comme le nombre d’électrons n’est plus égal au nombre de protons, chacun d’eux est maintenant un ion et a une charge de +1 (cation sodium) ou -1 (anion chlorure). Notez que ces transactions ne peuvent normalement avoir lieu que simultanément : pour qu’un atome de sodium perde un électron, il doit être en présence d’un récepteur approprié comme un atome de chlore.

Un atome de sodium et un atome de chlore sont assis côte à côte. L'atome de sodium a un électron de valence, et l'atome de chlore en a sept. Six des électrons du chlore forment des paires sur les côtés supérieur, inférieur et droit de la coquille de valence. Le septième électron est seul sur le côté gauche. L'atome de sodium transfère son électron de valence à la coquille de valence du chlore, où il se couple avec l'électron gauche non apparié. Une flèche indique qu'une réaction a lieu. Après que la réaction a eu lieu, le sodium devient un cation avec une charge de plus un et une coquille de valence vide, tandis que le chlore devient un anion avec une charge de moins un et une coquille de valence pleine contenant huit électrons.

Figure 1. Dans la formation d’un composé ionique, les métaux perdent des électrons et les non-métaux gagnent des électrons pour obtenir un octuor. Les liaisons ioniques se forment entre des ions de charges opposées. Par exemple, des ions sodium chargés positivement et des ions chlorure chargés négativement se lient pour former des cristaux de chlorure de sodium, ou sel de table, créant une molécule cristalline avec une charge nette nulle.

Les liaisons ioniques sont formées entre des ions ayant des charges opposées. Par exemple, les ions sodium chargés positivement et les ions chlorure chargés négativement se lient pour former des cristaux de chlorure de sodium, ou sel de table, créant une molécule cristalline avec une charge nette nulle.

Certains sels sont appelés en physiologie des électrolytes (notamment le sodium, le potassium et le calcium), ions nécessaires à la conduction de l’influx nerveux, aux contractions musculaires et à l’équilibre hydrique. De nombreuses boissons pour sportifs et des compléments alimentaires fournissent ces ions pour remplacer ceux perdus par le corps via la transpiration pendant l’exercice.

Revue de la vidéo

Cette vidéo montre comment les composés ioniques se forment à partir d’anions et de cations.

Les liaisons covalentes

Une autre façon de satisfaire la règle de l’octuor est le partage d’électrons entre les atomes pour former des liaisons covalentes. Ces liaisons sont beaucoup plus courantes que les liaisons ioniques dans les molécules des organismes vivants. On trouve couramment des liaisons covalentes dans les molécules organiques à base de carbone, comme l’ADN et les protéines. On trouve également des liaisons covalentes dans les molécules inorganiques comme H2O, CO2 et O2. Une, deux ou trois paires d’électrons peuvent être partagées, formant ainsi des liaisons simples, doubles et triples, respectivement. Plus il y a de liaisons covalentes entre deux atomes, plus leur lien est fort. Ainsi, les liaisons triples sont les plus fortes.

La force des différents niveaux de liaison covalente est l’une des principales raisons pour lesquelles les organismes vivants ont du mal à acquérir de l’azote pour construire leurs molécules, même si l’azote moléculaire, N2, est le gaz le plus abondant dans l’atmosphère. L’azote moléculaire est constitué de deux atomes d’azote triplement liés l’un à l’autre et, comme pour toutes les molécules, le partage de ces trois paires d’électrons entre les deux atomes d’azote permet de remplir leurs coquilles électroniques externes, rendant la molécule plus stable que les atomes d’azote individuels. Cette triple liaison forte rend difficile la décomposition de cet azote par les systèmes vivants pour l’utiliser comme constituant des protéines et de l’ADN.

La formation des molécules d’eau fournit un exemple de liaison covalente. Les atomes d’hydrogène et d’oxygène qui se combinent pour former les molécules d’eau sont liés entre eux par des liaisons covalentes. L’électron de l’hydrogène partage son temps entre l’enveloppe externe incomplète des atomes d’hydrogène et l’enveloppe externe incomplète des atomes d’oxygène. Pour remplir complètement l’enveloppe externe de l’oxygène, qui possède six électrons dans son enveloppe externe mais qui serait plus stable avec huit, deux électrons (un par atome d’hydrogène) sont nécessaires : d’où la formule bien connue H2O. Les électrons sont partagés entre les deux éléments pour remplir l’enveloppe externe de chacun, ce qui rend les deux éléments plus stables.

Voir cette courte vidéo pour voir une animation de la liaison ionique et covalente.

Les liaisons covalentes polaires

Il existe deux types de liaisons covalentes : polaires et non polaires. Dans une liaison covalente polaire, illustrée par la figure 2, les électrons sont inégalement partagés par les atomes et sont davantage attirés par un noyau que par l’autre. En raison de la répartition inégale des électrons entre les atomes des différents éléments, une charge légèrement positive (δ+) ou légèrement négative (δ-) se développe. Cette charge partielle est une propriété importante de l’eau et explique plusieurs de ses caractéristiques.

L’eau est une molécule polaire, les atomes d’hydrogène acquérant une charge positive partielle et l’oxygène une charge négative partielle. Cela se produit parce que le noyau de l’atome d’oxygène est plus attractif pour les électrons des atomes d’hydrogène que le noyau de l’hydrogène ne l’est pour les électrons de l’oxygène. L’oxygène a donc une électronégativité plus élevée que l’hydrogène et les électrons partagés passent plus de temps à proximité du noyau de l’oxygène qu’à proximité du noyau des atomes d’hydrogène, ce qui donne aux atomes d’oxygène et d’hydrogène des charges légèrement négatives et positives, respectivement. Une autre façon de dire cela est que la probabilité de trouver un électron partagé près d’un noyau d’oxygène est plus grande que de le trouver près d’un noyau d’hydrogène. Quoi qu’il en soit, l’électronégativité relative de l’atome contribue au développement de charges partielles lorsqu’un élément est significativement plus électronégatif que l’autre, et les charges générées par ces liaisons polaires peuvent ensuite être utilisées pour la formation de liaisons hydrogène basées sur l’attraction de charges partielles opposées. (Les liaisons hydrogène, qui sont examinées en détail ci-dessous, sont des liaisons faibles entre des atomes d’hydrogène légèrement chargés positivement et des atomes légèrement chargés négativement dans d’autres molécules). Comme les macromolécules ont souvent en leur sein des atomes dont l’électronégativité diffère, les liaisons polaires sont souvent présentes dans les molécules organiques.

Liens covalents non polaires

Le tableau compare les molécules d'eau, de méthane et de dioxyde de carbone. Dans l'eau, l'oxygène a une plus forte attraction sur les électrons que l'hydrogène, ce qui entraîne une liaison covalente polaire O-H. De même, dans le dioxyde de carbone, l'oxygène a une plus forte attraction sur les électrons que le carbone et la liaison est covalente polaire. Cependant, l'eau a une forme courbée parce que deux paires d'électrons solitaires poussent les atomes d'hydrogène ensemble, la molécule est donc polaire. En revanche, le dioxyde de carbone possède deux doubles liaisons qui se repoussent mutuellement, d'où une forme linéaire. Les liaisons polaires du dioxyde de carbone s'annulent mutuellement, ce qui donne une molécule non polaire. Dans le méthane, la liaison entre le carbone et l'hydrogène est non polaire et la molécule est un tétraèdre symétrique avec des hydrogènes aussi espacés que possible sur la sphère tridimensionnelle. Puisque le méthane est symétrique avec des liaisons non polaires, c'est une molécule non polaire.

Figure 2. Le fait qu’une molécule soit polaire ou non polaire dépend à la fois du type de liaison et de la forme de la molécule. L’eau et le dioxyde de carbone ont tous deux des liaisons covalentes polaires, mais le dioxyde de carbone est linéaire, donc les charges partielles de la molécule s’annulent.

Les liaisons covalentes non polaires se forment entre deux atomes d’un même élément ou entre différents éléments qui partagent les électrons de façon égale. Par exemple, l’oxygène moléculaire (O2) est non polaire car les électrons seront répartis de manière égale entre les deux atomes d’oxygène.

Un autre exemple de liaison covalente non polaire est le méthane (CH4), également représenté sur la figure 2. Le carbone a quatre électrons dans sa coquille la plus externe et a besoin de quatre autres pour la remplir. Il obtient ces quatre électrons de quatre atomes d’hydrogène, chaque atome en fournissant un, ce qui donne une coquille externe stable de huit électrons. Le carbone et l’hydrogène n’ont pas la même électronégativité, mais ils sont similaires ; des liaisons non polaires se forment donc. Les atomes d’hydrogène ont chacun besoin d’un électron pour leur coquille extérieure, qui est remplie lorsqu’elle contient deux électrons. Ces éléments partagent les électrons de manière égale entre les carbones et les atomes d’hydrogène, créant ainsi une molécule covalente non polaire.

Voir cette vidéo pour une autre explication des liaisons covalentes et de leur formation :

Les liaisons hydrogène

Les liaisons ioniques et covalentes entre les éléments nécessitent de l’énergie pour se rompre. Les liaisons ioniques ne sont pas aussi fortes que les covalentes, ce qui détermine leur comportement dans les systèmes biologiques. Cependant, toutes les liaisons ne sont pas des liaisons ioniques ou covalentes. Des liaisons plus faibles peuvent également se former entre les molécules. Deux liaisons faibles fréquentes sont les liaisons hydrogène et les interactions de van der Waals. Sans ces deux types de liaisons, la vie telle que nous la connaissons n’existerait pas. Les liaisons hydrogène confèrent à l’eau un grand nombre des propriétés critiques et indispensables à la vie et stabilisent également les structures des protéines et de l’ADN, l’élément constitutif des cellules.

Lorsque des liaisons covalentes polaires contenant de l’hydrogène se forment, l’hydrogène de cette liaison a une charge légèrement positive car l’électron de l’hydrogène est tiré plus fortement vers l’autre élément et loin de l’hydrogène. Comme l’hydrogène est légèrement positif, il est attiré par les charges négatives voisines. Lorsque cela se produit, une faible interaction se produit entre le δ+ de l’hydrogène d’une molécule et la charge δ- des atomes plus électronégatifs d’une autre molécule, généralement l’oxygène ou l’azote, ou au sein de la même molécule. Cette interaction est appelée une liaison hydrogène. Ce type de liaison est courant et se produit régulièrement entre les molécules d’eau. Les liaisons hydrogène individuelles sont faibles et facilement rompues ; cependant, elles sont présentes en très grand nombre dans l’eau et dans les polymères organiques, créant ainsi une force majeure de combinaison. Les liaisons hydrogène sont également responsables de la fermeture éclair de la double hélice de l’ADN.

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