Bernadette Féry Hiver 2007
Évolution et Diversité du Vivant
(101-NYA-05)
Cours 2
(Troisième partie) NOTIONS
NOTIONS
ÉLÉMENTAIRES ÉLÉMENTAIRES
DE CHIMIE DE CHIMIE
Source
1. L’atome et son élément.
2. Les trois premières couches électroniques et le comportement chimique de l’atome.
3. Les liaisons chimiques intra-moléculaires sont des liaisons fortes qui s'établissent entre
atomes en créant les molécules.
• Liaison covalente non polaire
• Liaison covalente polaire
• Liaison ionique
4. Les liaisons chimiques inter-moléculaires sont des liaisons faibles qui s'établissent entre
molécules .
• Les liaisons hydrogène
1. L’atome et son élément
Unité élémentaire de la matière.
Formé de particules subatomiques : les protons, les neutrons et les électrons.
Comprend un noyau et des électrons.
L'hydrogène est le seul atome qui n'a pas de neutrons !
Atome d’hélium
- O+O
+ -
Une ou plusieurs électrons
Chaque électron a une charge négative (-1) et est de masse négligeable.
Noyau (positif et "pesant").
• Un ou plusieurs protons de charge positive (+1) et de masse significative.
• Un ou plusieurs neutrons électriquement neutres (0) et de masse significative
+ O -
On désigne un atome à l'aide d'un
symbole altéré de chiffres à sa gauche.
Atome d’hélium
- O+O
+ -
4 He
2
Numéro atomique 2 protons
Nombre de masse
2 protons + 2 neutrons
= 2
électrons
Les atomes sont neutres : leur nombre de protons égale leur nombre d’électrons.
Les atomes diffèrent les uns des autres par leur nombre de protons.
• Les atomes de l’élément hydrogène ont toujours 1 proton.
• Les atomes de l’élément carbone ont toujours 6 protons.
• Les atomes de l’élément plutonium ont toujours 94 protons.
De ceci découle que tous les atomes ayant le même nombre de protons, peu importe leur nombre de neutrons, présentent les mêmes
propriétés chimiques et appartiennent au même élément.
L’élément oxygène regroupe tous les atomes
d’oxygène.
16O 8 protons et 8 neutrons
(le plus abondant de l'élément)
17O 8 protons et 9 neutrons
18O 8 protons et 10 neutrons
(le plus lourd des trois)
Les isotopes sont les atomes de l'élément qui présentent un nombre différent de neutrons.
Les trois isotopes courants de l'élément oxygène :16O, 17O et 18O
Les radio-isotopes sont des isotopes dont le
noyau se désintègre spontanément en émettant des radiations. Un autre atome (appartenant à un autre élément) est ainsi formé.
Utilité des radio-isotopes
• Industrie nucléaire.
• Marqueurs biologiques dans des expériences de recherche.
• Destruction sélective de tissus en médecine ( ex : cellules cancéreuses).
• Datation de fossiles avec le carbone 14.
Trois radio-isotopes courants : le tritium (3H), le carbone 14 (14C) et le phosphore 32 (32P)
Plus les atomes sont lourds, plus ils présentent de couches électroniques.
La plupart des atomes qui constituent la matière vivante ont entre de 1 et 3 couches électroniques.
Campbell : 33 (2eéd.) — Figure 2.10
1 couche
2 couches
3 couches
Les électrons gravitent autour du noyau en se répartissant en un certain nombre de couches électroniques.
2. Les trois premières couches électroniques et le comportement chimique de l’atome
• La deuxième couche (couche L) est
pleine et stable lorsqu'elle contient huit électrons.
• Les atomes de carbone, d'azote et d'oxygène, très abondants dans la matière vivante, ont deux couches électroniques.
• La troisième
couche (couche M) est pleine et stable
lorsqu'elle contient
également huit électrons.
•Il existe une exception à
cette règle dite
"de l'octet" : l'atome de phosphore atteint sa
stabilité lorsque sa troisième
couche
électronique contient dix électrons.
• La première
couche (couche K) est pleine et stable
lorsqu'elle
possède deux électrons.
• Seuls les atomes
d'hydrogène et d'hélium n'ont qu'une couche électronique.
Les couches électroniques ont une
tendance naturelle à se combler d’électrons pour assurer la stabilité de l’atome.
Campbell : 33 (2eéd.) — Figure 2.10
Chaque électron impliqué dans une réaction
chimique correspond à une liaison chimique. Selon le nombre d’électrons présents sur la couche externe de l’atome, il s’établit un certain nombre de liaisons
chimiques.
Couc he 1
Couch e 2
Couc he 3
Le carbone a (4) électrons sur la deuxième (et dernière) couche
électronique. Il lui faut donc 4 électrons pour la compléter à 8. Le carbone établit (4) liaisons chimiques.
L’oxygène a (6) électrons sur la deuxième (et dernière) couche électronique. Il lui faut donc (2) électrons pour la compléter à 8. L’oxygène établit 2 liaisons chimiques.
L’azote a (5) électrons sur la deuxième (et dernière) couche électronique. Il lui faut donc (3)
électrons pour la compléter à 8.
L’azote établit 3 liaisons chimiques.
Atomes complets Pas de liaison chimique L’hydrogèn
e établit combien de liaison(s) ?
Comme ce sont les électrons de la couche périphérique qui réagissent pour établir des
liaisons chimiques, ce sont eux qui déterminent les propriétés chimiques de l'atome
Une liaison chimique est la force qui
maintient deux atomes proches l'un de l'autre suite à la stabilisation, chacun, de leur dernière couche électronique. Par partage, ajout ou
perte d'électrons.
Une molécule est la combinaison stable d'atomes qui se sont rapprochés afin de compléter leur couche périphérique.
Une réaction chimique est le changement dans l'interaction des électrons au moment où un ou plusieurs atomes s'approchent afin de stabiliser leur couche électronique périphérique.
3. Les liaisons chimiques intra-moléculaires sont des liaisons fortes qui s'établissent entre atomes en créant les molécules
(covalentes non polaires, covalentes polaires, liaisons ioniques)
Liaisons covalentes non polaires
H — H
Molécule H2
H H
Chaque atome d’H partage 1é
O O
Chaque atome d’O partage 2é
O — O
Molécule O2
H H
H
C H
Le carbone et l’hydrogène ont presque la même affinité pour les électrons. En conséquence, les électrons passent à peu près autant de temps autour de l’H (hydrogène) qu’autour du C (carbone).
Le méthane est non polaire.
Molécule CH4
H — C — H H
H
Chaque atome d’H partage 1é et l’atome de C partage 4é
Partage égal des électrons
• Pas de pôle + ou - dans la molécule formée
• Les molécules d’hydrogène,
d’oxygène et de méthane sont non polaires
Liaisons covalentes polaires
Partage inégal des électrons
• Les électrons passent plus de temps autour des atomes les plus
électronégatifs.
• Pôle + et - dans la molécule formée.
• La molécule d’eau est polaire.
L’oxygène a une grande affinité pour les
électrons que l’hydrogène.
En conséquence, les électrons passent plus de temps autour de l’oxygène qu’autour des hydrogène. L’oxygène devient partiellement négatif et les H devient partiellement positifs.
O H
H
+ +
Molécule H2O
-
O — H H
Liaisons ioniques
Transfert d'un ou plusieurs électrons à un atome fortement électronégatif.
•L'atome qui donne les électrons devient positif (un cation).
•L'atome qui reçoit les électrons devient négatif (un anion).
•La molécule de chlorure de sodium (sel de table) est ionique.
Cl Na
Molécule NaCl Na — Cl
Cl- Na+
Ion positif Cation
(+) Anion (-)
Ion négatif
Liaisons faibles entre des molécules déjà reliées par des liaisons covalentes polaires. S'établissent et se brisent facilement.
Par attraction entre un atome légèrement négatif dans une molécule (souvent de l’oxygène) et un atome d'hydrogène légèrement positif dans une molécule voisine.
Campbell : 37 (2eéd. française) — Figure 2.6
ammoniac
- eau
- +
+
+ +
+
Liaison hydrogène entre une molécule d’eau et une molécule d’ammoniac
Campbell : 44 (2eéd. française) — Figure 3.1
- + +
- -
- - +
+
+ + - +
Liaison hydrogène entre deux
molécules d’eau
7. Les liaisons chimiques inter-moléculaires sont des liaisons faibles qui s'établissent entre
molécules .
Un rôle biologique aux liaisons hydrogène
Permettre plusieurs réactions cellulaires : les
molécules se lient par liaisons hydrogène, réagissent et se séparent.
Campbell : 350 (2eéd. française) — Figure 17.25
La synthèse d'une
protéine
requiert des liaisons H à deux
moments du processus.
Renforcer la forme tridimensionnelle des
molécules biologiques par des liens H entre les différentes parties des molécules (l’ADN contient de nombreuses liaisons H).
Campbell : 314 (2eéd. française) — Figure 16.5
L’ADN est formée de deux
chaînes
moléculaires retenues par des liaisons H.
