Propriétés chimiques de l’eau – La liaison hydrogène qui rend la vie possible (Partie 2)

Structure cristalline eau avec liaison hydrogène

Structure cristalline de l’eau (glace). La liaison hydrogène est bien visible par les lignes pointillées.

 

Tout généralement, en chimie, la liaison hydrogène (ou pont hydrogène) est une force intermoléculaire impliquant un atome d’hydrogène et un autre atome électronégatif. Ceci peut être par exemple un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor.

En ce qui concerne la molécule d’eau, la liaison hydrogène est donc une force intermoléculaire qui implique deux atomes d’hydrogène et un atome électronégatif, l’oxygène. Cette liaison est due à la polarité de l’atome d’hydrogène et de l’atome plus électronégatif qui est l’oxygène. L’atome d’oxygène étant plus électronégatif que les deux atomes d’hydrogène, celui-ci attirera plus les électrons engagés dans les liaisons covalentes vers lui que les atomes d’hydrogène à ses côtés.

Ceci fait que l’atome d’oxygène possèdera alors deux charges négatives partielles, alors que chaque atome d’hydrogène possèdera une charge partielle positive. La molécule est alors polarisée à cause de cette différence de charge, car les barycentres de ses charges partielles ne sont pas confondus (auquel cas elle serait apolaire).

Pour des détails de ce phénomène, veuillez consulter l’article: Les propriétés chimiques de l’eau – La polarité de l’eau.

Ce phénomène fait que les pôles positifs (les atomes d’hydrogène) sont attirés par des entités de charge négative (anion, pôle négatif, etc.), et le pôle négatif (l’oxygène) sera attiré par des entités de charge positive (cation, pôle positif d’une autre molécule polarisée, etc.).

La molécule d’eau peut donc former quatre liaisons hydrogènes qui lui fournissent nombre de ses propriétés particulières. La liaison hydrogène peut alors s’établir entre toutes les molécules présentant ces caractéristiques susmentionnées.

L’importance de la liaison hydrogène pour la vie et l’évolution

La liaison hydrogène pourrait être renommée la liaison de la vie tant elle joue un rôle fondamental dans les processus biologiques. L’apparition de la vie résulte d’une cascade de réactions chimiques. De petites molécules organiques réagissent pour en former de plus grosses, qui elles-mêmes réagissent avec d’autres. Connecter les molécules entre elles est donc essentiel.

Les liaisons hydrogènes établissent des liens entre les molécules. Elles jouent un rôle primordial dans la vie.

Tous les scientifiques se rejoignent sur ce point : l’eau joue un rôle essentiel dans l’apparition de la vie. Avec ses liaisons hydrogènes, elle permet une cohésion des molécules à l’origine de l’évolution des êtres vivants. C’est sa propriété de la liaison hydrogène qui fait de l’eau un élément chimique si unique, absolument indispensable à la vie terrestre.

C’est entre 27 et 37°C environ que s’établissent la majorité des liaisons hydrogènes. C’est sous ces températures qu’elles sont les plus flexibles, sans pour autant être fragiles ni instables ; elles peuvent se tordre, se rompre mais également se restaurer et évoluer en fonction de la température ou de la pression, ce que ne peuvent pas réaliser les liaisons covalentes, beaucoup trop énergétiques et donc rigides dans les mêmes conditions.

Cette souplesse est indispensable pour réaliser certaines réactions chimiques. Elle intervient en particulier dans tous les processus biologiques impliquant des enzymes ou l’ADN.

L’eau et l’huile – une histoire de liaison hydrogène incompatible

L’eau et l’huile ne sont pas miscibles – la raison de cette particularité est la dipolarité de l’eau

L’eau et l’huile ne sont pas miscibles, tout le monde le sait. Ces deux liquides ne peuvent pas être simplement mélangés pour en former un autre liquide homogène. Chaque personne qui a déjà essayé de faire une mayonnaise « faite maison » a dû faire cette expérience. Il faut un émulsifiant (dans le cas de la mayonnaise, c’est le jaune d’œuf et la lécithine qu’il contient) pour créer une émulsion.

La raison est à chercher dans la composition de ces liquides. Comme on l’a dans la Partie 1 de cette série sur les propriétés chimiques de l’eau, l’eau est une molécule dipolaire ayant une charge positive et une charge négative réalisant des liaisons hydrogènes entre elles. L’huile par contre est une molécule apolaire, elle n’a ni pôle négatif ni positif et ne présente aucune liaison hydrogène. Elle ne réalise aucune liaison avec les molécules d’eau.

De plus, il y a également un problème de densité que l’on peut observer quand l’huile flotte sur la surface de l’eau : leurs densités sont différentes. La densité est le rapport entre la masse et le volume d’un objet. C’est-à-dire que si nous prenons un litre d’huile et un litre d’eau, ces deux liquides auront le même volume, mais pas la même masse, et, par conséquent, des densités différentes. La densité de l’huile est moindre par rapport à celle de l’eau, elle remonte donc à la surface.

Pour réussir à mélanger un liquide aqueux et un liquide huileux, il faut donc recourir à un émulsifiant. Un émulsifiant est une molécule qui au sein de sa structure possède une dualité de polarité. En d’autres termes une partie est hydrophile et l’autre est plutôt hydrophobe. On dit alors que ce sont des molécules amphiphiles.

Cette propriété moléculaire confère aux émulsifiants une capacité à se placer préférentiellement entre l’huile et l’eau (interface). Ainsi dans une émulsion, les émulsifiants vont se placer tout autour des gouttelettes et l’émulsion va ainsi gagner en stabilité.

Hydrogénation artificielle des huiles sous le point de vue chimique

Les huiles contenant des acides gras poly-insaturés (AGPI), comme les huiles de colza, de lin ou de soja, sont instables. Elles sont sensibles à la lumière, à la chaleur et à l’action de d’oxygène, à cause de la présence de double liaison dans leur formule chimique.

Cette instabilité chimique se traduit par le rancissement des graisses. Ces huiles, que l’on trouve d’ailleurs d’une haute qualité et souvent vierges dans les magasins spécialisés et qui sont dans cet état très précieuses pour notre santé, ne peuvent être ni stockées, ni chauffées à hautes températures. Elles devraient toujours se servir crues pour garder toutes leurs valeurs nutritionnelles. Sinon, il se produit une oxydation des lipides, créant des radicaux libres néfastes. Ces radicaux libres seront à la suite responsables du stress oxydatif et de l’oxydation cellulaire (et tissulaire) que notre organisme devra subir.

Pour l’industrie agroalimentaire, l’instabilité de ces huiles n’a aucun intérêt. Elle a trouvé la solution miracle : on peut rompre la double liaison moléculaire et la transformer en une simple liaison, plus stable, en ajoutant deux atomes d’hydrogène au niveau de la liaison. Ceci se passe aux niveaux industriel et artificiel en utilisant de catalyseurs, à une bonne température et pression précises.

Ce procédé permet de conserver les huiles poly-insaturées plus longtemps et de rendre ces huiles plus solides. En plus, elles seront chauffables à hautes températures, puisqu’il s’agit d’acides gras modifiés qui ne présentent plus de molécules « libres ».  C’est le principe de fabrication des margarines et d’autres graisses végétales telles que la graisse de palme.

Mais cette technique (partielle ou pas) présente deux inconvénients majeurs :

  • Les acides gras poly-insaturés contenus dans les huiles de départ perdent leur double liaison et se transforment en acides gras saturés dont on connaît le caractère nocif en grande quantité.
  • De plus, les acides gras ainsi obtenus changent de configuration dans l’espace : « cis » à l’état naturel, ils deviennent « trans » après hydrogénation. Or les études épidémiologiques ont montré qu’une consommation excessive d’acides gras trans d’origine industrielle est associée à une augmentation du  risque cardiovasculaire.

 

Cet exemple montre à merveille comment un atout de la nature qui est à la source de pratiquement toute vie sur Terre – la liaison hydrogène – peut être détourné pour en créer des molécules dangereuses et néfastes pour notre santé, uniquement dans l’intérêt très limité de l’industrie.

 

La Partie 3 de cette série sur les propriétés de l’eau présentera le potentiel hydrogène de l’eau, mieux connu sous le terme pH. Cette notion est importante pour comprendre l’acidification de notre organisme.

 

Autres articles qui pourraient vous intéresser :

 

Propriétés chimiques de l’eau – La polarité de l’eau (Partie 1)

Propriétés chimiques de l’eau – Le pH de l’eau et des eaux minérales (Partie 3)

 

 

 

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