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Découverte d’un nouveau type de liaison chimique ultra-forte

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Des chercheurs ont mis en évidence un nouveau type de liaison hydrogène qui présente une force similaire voire supérieure à certaines liaisons covalentes. Ces liaisons pourraient intervenir dans de nombreuses réactions chimiques et servir dans le domaine de la biologie ou les piles à combustible.

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Il existe en chimie trois types de liaison : la liaison covalente, qui résulte de la mise en commun d’électrons entre deux atomes, la liaison ionique où les électrons d’un ion sont transférés à un atome voisin, et la liaison intermoléculaire ou Van der Waals (à laquelle appartiennent les liaisons hydrogène), qui sont plus faibles par rapport aux deux précédentes. Ces trois liaisons sont toutes relativement stables. Mais les chercheurs savent depuis longtemps que lors d’une réaction chimique, il existe des états intermédiaires où les atomes peuvent se lier pendant quelques fractions de seconde et sont donc plus difficiles à observer.

Des liaisons hydrogène fortes

Une nouvelle étude parue dans la revue Science a réussi pour la première fois à observer un de ces états intermédiaires, mettant au jour un nouveau type de liaison chimique : une liaison hydrogène mais avec la force d’une liaison covalente (en principe, la liaison hydrogène est environ 20 fois plus faible). Pour ce faire, les chercheurs ont dissous un composé hydrogène-fluorure dans l’eau et ont regardé comment les atomes d’hydrogène et de fluor interagissaient grâce à un appareil à spectroscopie enregistrant les vibrations des atomes sous lumière infrarouge. Ils ont constaté que les atomes de fluor étaient attirés par les atomes d’hydrogène du fait d’un déséquilibre de charges positives et négatives, comme dans une liaison hydrogène standard. Dans la solution d’anion bifluorure, chaque atome d’hydrogène a ainsi tendance à être « pris en sandwich » entre deux atomes de fluor. Mais les chercheurs ont constaté que ces sandwichs étaient liés ensemble avec plus de force que les liaisons hydrogène typiques. Dans ces courtes liaisons hydrogène, les atomes se rapprochent dans une structure ressemblant à une molécule, ce qui est caractéristique normalement d’une liaison covalente. Mais le mécanisme de la nouvelle liaison étant de nature électrostatique, cela signifie que la liaison reste bien de nature Van der Waals.

D’après les mesures des chercheurs, ces nouvelles liaisons ont une énergie de liaison de 45,8 kcal/mol (environ 192 kJ/mol), ce qui est supérieur à certaines liaisons covalentes. Une molécule d’azote est par exemple constituée de deux atomes reliés par une liaison de force 38 kcal/mol. Les liaisons hydrogène ont pour leur part une énergie de liaison de 1 à 5 kcal/mol. Cette découverte n’est pas entièrement une surprise, mais elle brouille les cartes des définitions des liaisons chimiques et des molécules. En effet, des atomes connectés par des liaisons covalentes sont considérés comme une molécule, tandis que des atomes connectés via une liaison hydrogène peuvent rester dans des molécules indépendantes.

Une possible liaison forte entre les molécules d’eau ?

Selon des chercheurs de l’Institut Max-Planck (non impliqués dans l’étude), il est possible que ce type de liaison existe dans l’eau, où un ion hydrogène est pris en sandwich entre deux molécules d’eau. Ces liens n’ont encore jamais été observés de manière concluante car leur durée de vie serait beaucoup plus courte qu’avec le fluor. « L’étude de ces mouvements moléculaires et comment ils peuvent être orientés dans une direction souhaitée pourrait trouver des applications dans le transport des protons en biologie et dans les technologies telles que les membranes à pile à combustible », indiquent les chercheurs.

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Via futura-sciences.com

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