La liaison hydrogène est un sujet important en chimie, et elle sous-tend le comportement de nombreuses substances avec lesquelles nous interagissons quotidiennement, en particulier l'eau. Comprendre la liaison hydrogène et pourquoi elle existe est une étape importante dans la compréhension des liaisons intermoléculaires et de la chimie en général. La liaison hydrogène est finalement causée par la différence de charge électrique nette dans certaines parties de molécules spécifiques. Ces sections chargées attirent d'autres molécules ayant les mêmes propriétés.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
La liaison hydrogène est causée par la tendance de certains atomes dans les molécules à attirer davantage les électrons que l'atome qui les accompagne. Cela donne à la molécule un moment dipolaire permanent - cela la rend polaire - elle agit donc comme un aimant et attire l'extrémité opposée des autres molécules polaires.
Électronégativité et moments dipolaires permanents
La propriété d'électronégativité provoque finalement une liaison hydrogène. Lorsque les atomes sont liés de manière covalente les uns aux autres, ils partagent des électrons. Dans un exemple parfait de liaison covalente, les électrons sont partagés à parts égales, de sorte que les électrons partagés sont à peu près à mi-chemin entre un atome et l'autre. Cependant, ce n'est le cas que lorsque les atomes sont également efficaces pour attirer les électrons. La capacité des atomes à attirer les électrons de liaison est connue sous le nom d'électronégativité, donc si les électrons sont partagés entre les atomes avec la même électronégativité, alors les électrons sont à peu près à mi-chemin entre eux en moyenne (car les électrons se déplacent en continu).
Si un atome est plus électronégatif que l'autre, les électrons partagés sont plus étroitement attirés par cet atome. Cependant, les électrons sont chargés, donc s'ils sont plus enclins à se rassembler autour d'un atome que de l'autre, cela affecte l'équilibre de charge de la molécule. Plutôt que d'être électriquement neutre, l'atome le plus électronégatif acquiert une légère charge négative nette. A l'inverse, l'atome le moins électronégatif se retrouve avec une légère charge positive. Cette différence de charge produit une molécule avec ce qu'on appelle un moment dipolaire permanent, et celles-ci sont souvent appelées molécules polaires.
Comment fonctionnent les liaisons hydrogène
Les molécules polaires ont deux sections chargées dans leur structure. De la même manière que l'extrémité positive d'un aimant attire l'extrémité négative d'un autre aimant, les extrémités opposées de deux molécules polaires peuvent s'attirer. Ce phénomène est appelé liaison hydrogène car l'hydrogène est moins électronégatif que les molécules avec lesquelles il se lie souvent, comme l'oxygène, l'azote ou le fluor. Lorsque l'extrémité hydrogène de la molécule avec une charge positive nette se rapproche de l'oxygène, de l'azote, du fluor ou d'une autre extrémité électronégative, le résultat est une molécule-molécule liaison (une liaison intermoléculaire), qui est différente de la plupart des autres formes de liaison que vous rencontrez en chimie, et elle est responsable de certaines des propriétés uniques de différents substances.
Les liaisons hydrogène sont environ 10 fois moins fortes que les liaisons covalentes qui maintiennent les molécules individuelles ensemble. Les liaisons covalentes sont difficiles à rompre car cela nécessite beaucoup d'énergie, mais les liaisons hydrogène sont suffisamment faibles pour être rompues relativement facilement. Dans un liquide, il y a beaucoup de molécules qui se bousculent, et ce processus conduit à la rupture et à la reformation des liaisons hydrogène lorsque l'énergie est suffisante. De même, chauffer la substance rompt certaines liaisons hydrogène pour la même raison.
Liaison hydrogène dans l'eau
Eau (H2O) est un bon exemple de liaison hydrogène en action. La molécule d'oxygène est plus électronégative que l'hydrogène et les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la molécule dans une formation en « v ». Cela donne au côté de la molécule d'eau avec les atomes d'hydrogène une charge positive nette et du côté de l'oxygène une charge négative nette. Les atomes d'hydrogène d'une molécule d'eau se lient donc au côté oxygène d'autres molécules d'eau.
Il y a deux atomes d'hydrogène disponibles pour la liaison hydrogène dans l'eau, et chaque atome d'oxygène peut « accepter » des liaisons hydrogène de deux autres sources. Cela maintient la liaison intermoléculaire forte et explique pourquoi l'eau a un point d'ébullition plus élevé que l'ammoniac (où l'azote ne peut accepter qu'une seule liaison hydrogène). La liaison hydrogène explique aussi pourquoi la glace occupe plus de volume que la même masse d'eau: les liaisons hydrogène se fixent et donnent à l'eau une structure plus régulière que lorsqu'elle est liquide.