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Les liaisons atomiques et moléculaires | ||
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Les atomes et les molécules qui constituent la matière vivante sont liés entre eux par 5 types de liaisons (covalente, ionique, polaire, de Van der Waals et hydrophobe) d'intensités et de propriétés différentes. De ces propriétés vont découler la forme spatiale des molécules et à une plus grande échelle de l'organisme tout entier ainsi qu'une grande part des propriétés des réactions chimiques.
La liaison covalente.
Ce type de liaison est le plus intense qui puisse exister entre deux atomes. Les électrons d'un atomes sont répartis sur plusieurs orbitales. La forme la plus stable est celle où l'orbitale la plus externe comporte deux (hydrogène et hélium) ou huit (tous les autres atomes) électrons. Les atomes qui possèdent moins délectrons sur cette orbitale vont donc tendre à en acquérir pour la compléter. Dans cette orbitale, les éléctrons se regroupent par paire. Les quatre premiers sont isolés, les suivants s'associent avec ces quatre premiers. Un atome tel que l'atome d'oxygène par exemple possède 6 électrons sur sa couche externe, 4 sous forme de deux paires et deux isolés.
Dans le cas d'une liaison covalente, des atomes voisins vont mettre en commun leurs électrons célibataires pour atteindre ce chiffre fatidique de 8 (2 pour l'hydrogène). Pour reprendre l'oxygène, chaque atome va mettre en commun deux electrons qui vont tourner autour des deux à la fois. Ainsi chacun d'eux aura bien ces huits électrons sur sa dernière orbitale, 4 qui lui sont propres et 4 mis en commun et qui tournent autour des deux atomes.
Un atome n'est pas obligé de mettre tous ses électrons célibataires en commun avec un seul autre atome, mais chacun peut être mis en commun avec un atome différent. Le cas extrème est l'atome de carbone qui possédant 4 électrons célibataires peut établir une liaison avec 4 atomes en même. Il peut aussi mettre en commun deux electrons avec le même atome et les deux autres avec des atomes différents. Selon le nombre d'électron impliqués dans la liaison, on parle de simple, double ou triple liaison. Bien que possédant 4 éléctrons célibataires, une quadruple liaison n'existe pas.
Le nombre de liaisons covalentes que peut établir un atome dépend donc du nombre d'électrons célibataires qu'il possède sur sa couche externe. Le carbone qui possède 6 electrons dont 4 sur la couche externe peut établir quatre liaisons, l'azote en possède 5, ce qui fait 3 liaisons covalentes pour atteindre 8, l'oxygène avec 6 peut en établir deux et le chlore avec 7 ne peut en établir qu'une. Les gaz rares ont déjà 8 éléctrons sur leur couche externe. Ils n'ont donc pas besoin d'en mettre en commun pour être stable et n'établissent aucune liaison covalente avec d'autre atomes. Ils sont pour cela appelés aussi gaz inertes ou gaz nobles. D'autres atomes ont moins de 4 électrons sur leur orbitale Le sodium par exemple n'en possède qu'un. Il ne pourra pas mettre suffisament d'électrons en commun pour atteindre le nombre 8. Il ne pourra pas établir de liaisons covalentes.
La liaison ionique.
Il existe une deuxième façon de posséder 8 électrons
sur la couche la plus externe. C'est d'en gagner ou d'en perdre juste le
nombre nécessaire pour atteindre 8.
Ainsi, le chlore possède 7 électrons sur sa couche externe,
il lui en manque 1. En capturant un électron, il atteind le chiffre
fatidique de 8 et la stabilite. L'électron amène sa charge
négative avec lui et l'ensemble atome + 1 électron porte
une charge négative. Cet atome chargé s'appelle un ion, il
est noté Cl-. A l'inverse, le sodium (Na) possède
un électron sur sa couche externe, en le perdant, il vide sa couche
la plus externe, la couche précedente comporte 8 électrons,
l'ion est stable. L'atome a perdu une charge négative, il
a donc une charge positive en exces, il est noté Na+.
Les ions peuvent gagner ou perdre plus d'un électron. Ainsi on a
Ca2+, Al3+, O2-, H+, etc...
Deux ions de charge opposée s'attirent, ils établissent une liaison appelée liaison ionique. C'est le cas par exemple du chlorure de sodium (le sel de cuisine), de formule HCl, qui est constitué de 2 ions : H+ et Cl-.
Les propriétés des liaisons ioniques sont presque aussi
puissante que les liaisons covalentes, mais leurs propriétés
sont très différentes. Dans le NaCl, l'ion chlore négatifs
attire tous les ions sodium positifs, la liaison ne s'effectue pas dans
une direction privilégiée. Le chlore est entouré de
6 sodiums qui sont tous attirés par lui et qui l'attirent tous.
Par ailleurs à l'air libre, le NaCl est un solide cristallin
blanc et très dur. En solution dans l'eau, la liaison disparait
le cristal se dissous. Les liaison ioniques ne se dissolvent pas complétement
dans l'eau, certains ne le font pas du tout, d'autre partiellement, d'autre
enfin selon les conditions environnementales (température, etc...).
Le tartre par exemple nous rappelle constament que des ions dissous peuvent
se précipiter (c'est à dire se dessolubiliser) et former
des dépots, en général là ou c'est indésirable.
Un même atome peut établir une liaison covalente avec un ou deux électrons célibataires et une liaison ionique avec les autres.
La liaison hydrogène (ou liaison polaire).
Dans une liaison ionique, la charge positive est portée par un ion, la charge négative par un autre. Même dans une liaison covalente, la paire d'électron est attirée davantage par un atome que par l'autre et un des atomes est légèrement positif et l'autre légèrement négatif, la liaison est polarisée. La charge partielle positive d'un atome peut attirer la charge partielle négative d'un autre atome dans une autre molécule. Il va s'établir une liaison, bien plus faible que les précédentes, mais néanmoins réelle.
Cette liaison porte le nom de liaison hydrogène quand la charge partielle positive est portée par un atome d'hydrogène. C'est le cas quand l'hydrogène est lié à un atome d'oxygène, d'azote ou de chlore (pour les cas les plus courants) mais pas pour les atome de carbone (donc une molécule constituée uniquement de carbone et d'hydrogène ne pourra par établir de liaison hydrogène. En revanche, les molécules d'eau, constituées uniquement d'hydrogène et d'oxygène, établissent de très nombreuses liaisons hydrogène enttre elles (l'hydrogène d'une molécule attire l'oxygène d'une voisine). Cela explique que l'eau soit liquide à la temperature ambiante, alors que le méthane (CH4), molécule apolaire la plus simple) est gazeux. La liaison polaire, bien que faible, est donc d'une importance fondamentale pour la vie, sans elle l'eau liquide n'existerait pas et la vie qui lui est liée non plus.
La liaison de Van der Waals.
C'est la liaison la plus faible de toute. Dans une liaison covalente, la paire d'électron se déplace. Les deux atomes vont donc porter en alternance et de façon transitoire, une charge positive et une charge négative. Une autre molécule (ou une autre partie de la molécule) va donc être très faiblement attirée par cette charge transitoire. Cette liaison est très faible, mais dans le cas des macromolécules, leur nombre élevé (dû au nombre élevé d'atomes impliqués) va produire au total une force importante.
La liaison hydrophobe (ou liaison apolaire).
Cette liaison est en réalité une non liaison, c'est une conséquence de la liaison polaire. Dans un liquide polaire, les molécules vont tenter d'établir le maximum de liaisons entre elles. La stabilité maximale est obtenue quand toutes les charges partielles sont impliquées dans une liaison polaire. Si des molécules apolaires sont rajoutées à la solution, leur présence perturbe la formation de ce réseau de liaisons et elle vont en être rejetées. A la stabilité maximale, les molécules apolaires se regroupent de façon a minimiser le nombre de liaisons perdues par les molécules polaires. Tout ce passe donc comme si les molécules apolaires s'attiraient, en fait ce sont les molécules polaires qui les repoussent.
Les molécules uniquement apolaires sont rares dans la nature, ce sont principalement les hydrocarbures. Mais plus fréquement des molécules mixtes comportant une extrémité polaire et une autre apolaire, ces molécules sont dites amphiphiles. En solution dans l'eau, leur pole polaire de au réseau de liaison polaire alors que le pole apolaire en est rejeté. Ces molécules vont alors former des structures complexes, avec le pole polaire à l'extérieur en contact avec l'eau et le pole apolaire a l'intérieur, totalement isolé de l'eau. Selon la nature de la molécule, ces structure vont être soit des petits globules appelés micèles, soit des membrane.
Les micèles ont la particularité de faciliter la dissolution des molécules apolaires. Ces molécules peuvent en effet se regrouper au centre hydrophobe de la micèle et ainsi éviter d'être rejeté de la solution.
Les membranes sont plus intéressantes. Ce sont des structures bidimensionnelles constituées de deux couches de molécules amphiphiles, le pole polaire situé à l'extérieur de la membrane et le pole apolaire a l'intérieur. Ces structures sont à la fois fluides, resistantes et imperméables. Les membranes cellulaires ont cette constitution de base, stabilisées par des protéines.
Laurent DELEPINE Dernière mise à jour le 12 jul 2000
