Capsule 2.2 Flashcards
Pourquoi l’eau est important?
L’eau est le composant chimique le plus abondant de la surface de la Terre. La vie est apparue dans l’eau. C’est également le constituant principal du vivant, car chaque cellule est composée de 60 à 90% d’eau. C’est donc comme si chaque cellule transportait sa petite part d’océan avec elle.
Pourquoi l’eau est polaire?
L’eau est une molécule polaire due à la distribution inégale des électrons à l’intérieur de liens covalents O-H. Il y a alors formation de 4 charges partielles aussi appelées dipôles. Grâce à ces 4 charges partielles, chaque molécule d’eau peut réagir avec 4 autres molécules d’eau via des liaisons hydrogène (indiqué ici par des traits pointillés). Chaque molécule d’eau peut à la fois donner et recevoir deux atomes d’hydrogène lors de ces interactions. Chaque atome d’hydrogène d’une molécule d’eau, indiqué ici en blanc, ne participe qu’à un lien hydrogène, alors que l’atome d’oxygène, en rouge, peut participer à 2 liens hydrogène. Les positions des charges partielles dans l‘espace confèrent un arrangement presque tétraédrique à ces liens H. Cet arrangement tétraédrique s’explique par la position des orbitales sp3 de l’atome d’oxygène.
Quelles sont les propriétés thermiques de l’eau?
Lorsque l’on compare les propriétés thermiques de l’eau à celles d’autres petites molécules ayant une organisation et une taille similaires, on constate que l’eau a des propriétés thermiques particulières. L’eau a une température de fusion, une température d’ébullition, une chaleur spécifique de l’eau et une chaleur de vaporisation substantiellement plus élevées. Ceci suggère que les forces attirant les molécules d’eau entre elles sont importantes.
La force des liens H dans l’eau liquide est d’environ 20 kJ/mole. Cela veut dire que 20 kJ/mole de chaleur sont requis pour briser chaque lien H dans des conditions standards. Grâce à sa géométrie et sa polarité, l’eau a une capacité inégalée à former des liens hydrogène. Une molécule d’eau peut former jusqu’à quatre de ces liens. Comme chaque molécule d’eau est impliquée dans plusieurs liens H, une grande quantité d’énergie est requise pour briser les liens et augmenter la température ce qui explique les propriétés thermiques de l’eau.
Quelle est la densité de la glace?
La densité de la majorité des substances augmente lorsqu’elles passent de l’état liquide à l’état solide, mais ce n’est pas le cas de l’eau
L’eau liquide est un réseau fluide où les liens hydrogène se brisent et se reforment constamment. À la pression atmosphérique standard et à la température de la pièce, chaque molécule d’eau forme en moyenne 3,4 liaisons hydrogène avec d’autres molécules d’eau. La moitié de ces liaisons ne sont pas dans une orientation linéaire donc ce sont des liaisons moins fortes.
Par contre, la glace présente un réseau de liens hydrogène qui a une structure ressemblant à un treillis ouvert. La structure de la glace est plus régulière que la structure de l’eau liquide. Chaque molécule d’eau est liée à 4 autres molécules d’eau par des liaisons hydrogène qui sont linéaires donc plus fortes. Cela explique l’expansion de la glace et sa rigidité par rapport à l’eau.
Ainsi, la glace est moins dense que l’eau liquide parce que les molécules d’eau ne sont pas libres de se rapprocher les unes des autres. Les liens hydrogènes dans la glace amènent la formation d’une structure contenant une grande quantité d’espace vide entre les molécules. C’est pourquoi la glace flotte sur l’eau.
Qu’est-ce que la constance diélectrique?
La constante diélectrique d’une substance est la mesure de sa capacité à entourer les ions d’un sel et à diminuer l’attraction de ces mêmes ions.
L’ionisation d’un sel en solution dépend donc de la constante diélectrique du solvant. L’eau a une constante diélectrique élevée, elle diminue donc fortement les forces d’attraction entre les composés chargés (les liaisons ioniques), ce qui entraîne l’ionisation des sels et, par le fait même, augmente leur solubilité.
Est-ce que l’eau est un bon solvant?
La nature des interactions d’une molécule avec l’eau définit sa solubilité. Plus une molécule peut interagir avec l’eau, plus elle est soluble. Aucun autre solvant ne peut être comparé à l’eau en ce qui concerne la variété de substances qu’elle peut dissoudre.
Plusieurs caractéristiques de l’eau comme sa polarité (et donc sa capacité à former de liens H), sa constante diélectrique et sa taille expliquent pourquoi l’eau est un bon solvant.
On dit que l’eau est un solvant presque universel. C’est parce que l’eau est un excellent solvant pour les substances ioniques et polaires, mais qu’il est un très mauvais solvant pour les substances non polaires. Le fait que l’eau ne soit pas un solvant universel a des implications très importantes pour le vivant.
Est-ce que l’eau est un nucléophile?
L’eau est faiblement nucléophile et cela s’explique par son atome d’oxygène riche en électrons. Les nucléophiles sont des substances cherchant à réagir avec les composés positivement chargés ou pauvres en électrons.
Cette propriété permet à l’eau de réagir avec des biomolécules, ce qui en fait un réactif important pour plusieurs réactions chimiques. Dans cet exemple, les liens peptidiques d’une protéine sont hydrolysés en présence d’eau. Il s’agit d’une réaction spontanée, mais la vitesse de réaction est tellement lente qu’un très petit nombre de macromolécules seront dégradées durant la vie d’une cellule. L’hydrolyse est donc catalysée par des enzymes qui augmentent la vitesse de réaction quand cela est nécessaire.
En quoi les propriétés thermiques de l’eau sont importantes?
L’eau doit absorber une grande quantité d’énergie avant que sa température n’augmente. Cela est causé par son extraordinaire cohésion conférée par les multiples liens H entre les molécules d’eau.
Ainsi, la stabilité thermique de l’eau permet à nos cellules (remplies majoritairement d’eau) de minimiser l’influence d’une fluctuation de température externe. Dans les organismes plus complexes, cette caractéristique explique également l’efficacité de la transpiration pour diminuer la température corporelle. La mince couche d’eau présente sur la peau absorbera beaucoup plus de chaleur avant de s’évaporer qu’une autre substance.
Pourquoi la densité de la glace est importante?
Le fait que la glace flotte sur l’eau a eu un impact important sur le développement de la vie et sur la vie aquatique en climat froid. Si la densité de la glace était plus grande que celle de l’eau liquide, la glace se retrouverait au fond et serait protégée du soleil, ce qui entraînerait une fonte plus lente. De plus, l’eau à la surface, en l’absence de la barrière protectrice formée par la glace, gèlerait au contact de l’air froid avant de couler à son tour.
Mis en péril le développement de la vie
De nos jours, la couche de glace à la surface des étangs ou des lacs sert de protection thermique aux organismes aquatiques.
Pourquoi il est important que l’eau ne soit pas un solvant universel?
Il existe des molécules dites amphiphiles qui contiennent à la fois des groupements polaires ou chargés et des groupements non polaires. Ce sont donc des molécules simultanément hydrophiles et hydrophobes. Ces molécules s’agrègent de façon particulière afin que la partie hydrophobe ne soit pas en contact avec l’eau.
Ceci entraîne la formation de monocouches, de micelles ou de bicouches lipidiques. La formation des membranes biologiques exploite cette propriété des molécules amphiphiles. Comme on le voit sur cette figure représentant une membrane, les membranes biologiques sont formées d’une double couche lipidique.
L’apparition des membranes biologiques a permis de regrouper les molécules du vivant dans un environnement contrôlé où elles pouvaient travailler ensemble. Auparavant, les molécules organiques étaient libres dans l’environnement et donc avaient moins de chance de se rencontrer et de pouvoir réagir ensemble. On peut donc dire que le fait que l’eau ne soit pas un solvant universel est le SECRET DE LA VIE, car les membranes se sont formées parce que l’eau n’est pas un bon solvant pour les substances non polaires.
