Chapitre V : Liaisons Faibles (Liaisons Physiques)
Les liaisons faibles, également appelées liaisons physiques, sont des interactions non covalentes qui jouent un rôle crucial dans la structure et les propriétés des molécules et des matériaux. Elles incluent les liaisons de Van Der Waals et les liaisons hydrogène.
I. Liaisons de Van Der Waals
Les liaisons de Van Der Waals sont des interactions faibles entre les molécules ou les atomes. Elles se divisent en trois types principaux : les forces d'orientation (ou interactions de Keesom), les forces d'induction (ou interactions de Debye), et les forces de dispersion (ou interactions de London).
I.1 Forces d'Orientation ou Interactions de Keesom
- Nature des Forces : Les forces d'orientation, également connues sous le nom d'interactions de Keesom, sont des interactions entre dipôles permanents. Ces forces surviennent lorsque deux molécules polaires (possédant des moments dipolaires permanents) s'orientent de manière à minimiser l'énergie du système.
- Exemple : Une interaction classique de Keesom se produit entre des molécules d'eau (H₂O) où les dipôles permanents interagissent.
- Caractéristiques : Ces forces dépendent de la température et de l'orientation des molécules, et elles sont proportionnelles à l'inverse de la distance au cube entre les molécules.
I.2 Forces d'Induction ou Interactions de Debye
- Nature des Forces : Les forces d'induction, ou interactions de Debye, sont des interactions entre un dipôle permanent et une molécule polaire induite. Le champ électrique du dipôle permanent induit un dipôle dans une molécule non polaire voisine.
- Exemple : Une molécule d'eau (dipôle permanent) peut induire un dipôle dans une molécule de dioxyde de carbone (CO₂).
- Caractéristiques : Ces forces sont proportionnelles à l'inverse de la distance à la sixième puissance entre les molécules et sont influencées par la polarité de la molécule induite.
I.3 Forces de Dispersion ou Interactions de London
- Nature des Forces : Les forces de dispersion, également appelées interactions de London, sont des interactions entre dipôles instantanés et dipôles induits. Elles sont présentes entre toutes les molécules, polaires ou non polaires, et résultent des fluctuations temporaires des distributions d'électrons dans les atomes et les molécules.
- Exemple : Les interactions de London sont responsables des forces d'attraction entre les molécules de gaz nobles comme l'argon (Ar).
- Caractéristiques : Ces forces sont proportionnelles à l'inverse de la distance à la sixième puissance et augmentent avec la taille et la polarisabilité des molécules.
II. Liaison Hydrogène
La liaison hydrogène est une interaction spécifique et particulièrement forte parmi les liaisons faibles. Elle se forme lorsqu'un atome d'hydrogène, déjà lié de manière covalente à un atome électronégatif (comme l'oxygène, l'azote ou le fluor), interagit avec une paire d'électrons non liants sur un autre atome électronégatif.
II.1 Liaison Hydrogène Intermoléculaire
- Nature des Liaisons : Les liaisons hydrogène intermoléculaires se forment entre des molécules distinctes. Elles sont cruciales dans la détermination des propriétés physiques et chimiques de nombreuses substances.
- Exemple : Les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau confèrent à l'eau ses propriétés uniques, comme son point d'ébullition élevé et sa tension superficielle.
- Caractéristiques : Ces liaisons sont plus fortes que les liaisons de Van Der Waals, mais plus faibles que les liaisons covalentes ou ioniques. Elles jouent un rôle vital dans la solubilité et la cohésion des molécules.
II.2 Liaisons Hydrogène Intramoléculaires
- Nature des Liaisons : Les liaisons hydrogène intramoléculaires se forment au sein d'une même molécule lorsque les groupes fonctionnels compatibles sont à une distance appropriée.
- Exemple : Dans les protéines, des liaisons hydrogène intramoléculaires peuvent se former entre les groupes amine (NH) et carbonyle (CO) de la chaîne peptidique, stabilisant ainsi la structure secondaire (hélices alpha et feuillets bêta).
- Caractéristiques : Ces liaisons jouent un rôle crucial dans la stabilisation de la structure tridimensionnelle des macromolécules biologiques comme les protéines et les acides nucléiques.
II.3 Conséquences de l'Existence de Liaisons Hydrogène
- Propriétés Physiques : Les liaisons hydrogène affectent de manière significative les points de fusion et d'ébullition, la solubilité, la viscosité et la densité des substances. Par exemple, l'eau a un point d'ébullition anormalement élevé comparé à des molécules de taille similaire en raison des liaisons hydrogène.
- Structures Biologiques : Les liaisons hydrogène sont essentielles dans la stabilisation des structures des biomolécules, comme la double hélice de l'ADN et les structures secondaires et tertiaires des protéines.
- Réactivité Chimique : Les liaisons hydrogène peuvent influencer la réactivité chimique des substances en facilitant ou en inhibant certaines réactions chimiques. Elles jouent également un rôle dans les mécanismes de reconnaissance moléculaire, comme les interactions enzyme-substrat.