L'eau molécule polaire
A) L’électronégativité
L’électronégativité d’un atome est sa capacité à attirer à lui le doublet d’électrons engagé dans une liaison de covalence : plus son électronégativité est forte plus il est attracteur. Dans le tableau ci-dessous, on trouve la valeur de l’électronégativité de Pauling de quelques éléments.
Dans le cas d’une liaison entre 2 éléments chimiques A et B, on calcule la différence d’électronégativité entre les deux :
si la différence est inférieure ou égale à 0,4, la liaison est apolaire. Le doublet d’électrons est équitablement réparti : A—B (H—H ; C—H ; C—C…) ;
si la différence est comprise entre 0,5 et 2, la liaison est polaire. La probabilité de présence du doublet d’électrons est plus grande vers B, l’élément le plus électronégatif : Aδ+—Bδ–. A porte alors une charge partielle positive δ + et B, porte alors une charge partielle négative δ- (O—H ; C—O ; C—Cl…) ;
si la différence est supérieure à 2, la liaison est ionique. B, l’élément le plus électronégatif, porte une charge négative entière – et A une charge positive entière + : A+ + B– (Na+ + Cl–).
B) La polarité de l’eau
L’eau comporte 2 liaisons OH polarisées qui se répartissent dans un plan. Le barycentre des charges positives se place au milieu des deux éléments hydrogène, ce qui ne coïncide pas avec le barycentre des charges : la molécule est alors polaire.
C) La liaison hydrogène
Les liaisons O—H et N—H sont polaires. Une liaison hydrogène peut s’établir entre l’élément hydrogène d’une liaison O—H ou N—H d’une molécule et un élément électronégatif porteur d’un doublet non liant comme l’oxygène ou l’azote d’une autre molécule. On montre ici une liaison hydrogène présente entre des molécules d’eau.
Les états physiques de l'eau
L’eau peut se trouver dans différents états physiques entre lesquels on peut passer par des transferts thermiques à températures constantes.
Évolution de la température en fonction du temps d’1 kg d’eau recevant une puissance de 1 000 W
On trouve ci-dessus l’évolution de la température d’un bloc d’1 kg de glace chauffé régulièrement sans perte thermique : sa température augmente de - 50 °C à 0 °C (1). Il y a un palier de changement d’état avec fusion de la glace vers de l’eau liquide à 0 °C (2).
La température de l’eau augmente ensuite régulièrement jusqu’à 100 °C (3). Il y a un palier de changement d’état avec vaporisation de l’eau liquide vers la vapeur d’eau à 100 °C (4).
Il faut apporter beaucoup plus d’énergie pour vaporiser l’eau à 100 °C que pour faire fondre une même masse de glace à 0 °C.
La liaison hydrogène, bien que moins forte qu’une liaison covalente, permet d’expliquer les températures élevées de fusion et d’ébullition de l’eau.
La masse volumique de la glace est plus faible que celle de l’eau : une même masse de glace occupe plus de place que de l’eau, aussi la glace flotte à la surface de l’eau.
La solubilité des substances moléculaires dans l'eau
A) Les glucides et l’eau
Les glucides portent des fonctions polaires alcools. S’ils sont de petite taille, alors ils sont extrêmement solubles dans l’eau, jusqu’à donner des sirops visqueux. Ces groupes polaires forment de nombreuses liaisons hydrogène avec les molécules d’eau.
Les oligoholosides, glucides de plus grandes masses molaires sans être des macromolécules, portent suffisamment de fonctions polaires alcools pour être relativement solubles dans l’eau.
Les polyholosides, glucides formant de très grandes chaînes, tels que l’amidon, gonflent en présence d’eau chaude et donnent des gels. D’autres comme la cellulose, ayant une structure cristalline différente, sont insolubles.
B) L’hydrophobie et l’hydrophilie
En général, les molécules polaires sont solubles dans l’eau car elles portent des groupes hydrophiles.
Les molécules apolaires ne sont pas solubles dans l’eau car elles ne sont pas hydrophiles. Les alcanes et les molécules organiques ayant une longue chaîne hydrocarbonée sans fonction polaire sont hydrophobes.
C) La miscibilité
L’eau est un bon solvant polaire, elle solubilise efficacement les espèces ioniques et polaires.
Un solvant apolaire sera un bon solvant des molécules apolaires (en particulier les molécules organiques).
Les solvants polaires et les solvants apolaires ne sont pas miscibles : si on les mélange, on obtiendra deux phases, celle d’en dessous étant la plus dense. Si un des solvants est l’eau et l’autre est un solvant organique (éther, cyclohexane…), on parle de phase aqueuse et de phase organique. On obtient dans une ampoule à décanter une séparation :
Pour un mélange eau/éther, la phase inférieure sera la phase aqueuse et la phase supérieure la phase organique car l’eau est plus dense que l’éther. Dans le cas d’un mélange eau/dichlorométhane, ce serait l’inverse car le dichlorométhane est plus dense que l’eau.
D) Les micelles
Une molécule ou un ion comportant une longue chaîne hydrocarbonée apolaire et une partie polaire (alcool, ion carboxylate…), tels les savons, aura des propriétés différentes :
Définition
Lipophile : qui apprécie les substances grasses.
la partie –COO– est ionique et polaire, elle « aime » l’eau, elle est hydrophile ;
la partie R hydrocarbonée est apolaire, elle « n’aime » pas l’eau, elle est hydrophobe ou lipophile (qui retient les substances grasses).
On peut représenter schématiquement l’ion carboxylate du savon de la façon suivante :
Pour simplifier, on peut aussi le représenter par :
La tête ionique de l’ion carboxylate est hydrophile, elle aime l’eau, tandis que la chaîne hydrocarbonée est hydrophobe, elle fuit l’eau.
Ces espèces sont peu solubles dans l’eau en raison de la partie apolaire mais elles peuvent adopter des structures en micelles qui accroissent leur solubilité et leur donnent un comportement différent selon que le solvant soit polaire ou apolaire.
Micelle dans un milieu aqueux
Micelle dans un solvant organique