NOTIONS ÉLÉMENTAIRES DE CHIMIE Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Cours 2 (Troisième partie) NOTIONS ÉLÉMENTAIRES DE CHIMIE Source Bernadette Féry Hiver 2007

L’atome et son élément. Les trois premières couches électroniques et le comportement chimique de l’atome. 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 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. O 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 Atome d’hélium - O + Une ou plusieurs électrons Chaque électron a une charge négative (-1) et est de masse négligeable. L'hydrogène est le seul atome qui n'a pas de neutrons !

On désigne un atome à l'aide d'un symbole altéré de chiffres à sa gauche. Atome d’hélium - O + He 4 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 trois isotopes courants de l'élément oxygène :16O, 17O et 18O 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. Trois radio-isotopes courants : le tritium (3H), le carbone 14 (14C) et le phosphore 32 (32P) 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.

2. Les trois premières couches électroniques et le comportement chimique de l’atome Les électrons gravitent autour du noyau en se répartissant en un certain nombre de couches électroniques. 1 couche 2 couches 3 couches Campbell : 33 (2eéd.) — Figure 2.10 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.

Les couches électroniques ont une tendance naturelle à se combler d’électrons pour assurer la stabilité de l’atome. 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. 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 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.

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. Atomes complets Pas de liaison chimique L’hydrogène établit combien de liaison(s) ? 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. 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. Couche 1 Couche 2 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. Couche 3 Campbell : 33 (2eéd.) — Figure 2.10

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.

Liaisons covalentes non polaires Molécule CH4 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 C 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 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 H — H Molécule H2 H Chaque atome d’H partage 1é O Chaque atome d’O partage 2é O — O Molécule O2

+ - Liaisons covalentes polaires Molécule H2O O — H 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 + - Molécule H2O O — H

L'atome qui donne les électrons devient positif (un cation). 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

7. Les liaisons chimiques inter-moléculaires sont des liaisons faibles qui s'établissent entre molécules . 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 : 44 (2eéd. française) — Figure 3.1 - + Liaison hydrogène entre deux molécules d’eau Campbell : 37 (2eéd. française) — Figure 2.6 ammoniac eau - + Liaison hydrogène entre une molécule d’eau et une molécule d’ammoniac

Un rôle biologique aux liaisons hydrogène Permettre plusieurs réactions cellulaires : les molécules se lient par liaisons hydrogène, réagissent et se séparent. La synthèse d'une protéine requiert des liaisons H à deux moments du processus. Campbell : 350 (2eéd. française) — Figure 17.25

Un autre rôle biologique aux liaisons hydrogène Renforcer la forme tridimensionnelle des molécules biologiques par des liens H entre les différentes parties des molécules (l’ADN contient de nombreuses liaisons H). L’ADN est formée de deux chaînes moléculaires retenues par des liaisons H. Campbell : 314 (2eéd. française) — Figure 16.5

FIN DE LA TROISIÈME PARTIE