L’EAU

1. L’EAU Quelle est la principale molécule de la vie ? A cette question, on entend généralement répondre: "l'ADN" ou "les protéines". Certains osent "les lipides". Mais pensons à l'eau. L'eau forme 70% de notre substance.

2. Structure de la glace et de l'eau

3. Cristal de glace hexagonal

4. Clathrate

5. Propriétés extraordinaires de l'eau C’est un des liquides les plus mal compris à l’échelle de quelques molécules. Au voisinage de 0° Celsius, l’eau se contracte quand on la chauffe et devient plus fluide quand on la comprime. Ses propriétés chimiques non moins exceptionnelles (elle est unique pour dissoudre les sels, acides ou bases en les dissociant en ions positifs et négatifs, etc....). Pourquoi un comportement si différent des autres corps ?

6. Une expérience simple Un verre d’eau avec des glaçons, sans agitation. Le thermomètre indique 4°C et non 0°C  -Un diagramme de phase très schématique de l’eau liquide : en équilibre thermodynamique, surchauffé ou en surfusion. A très basse température le liquide se fige et devient un verre (glass en Anglais).

7. Propriétés atypiques de l'eau Température de fusion de diverses molécules : l’eau apparait atypique.

8. Propriétés atypiques de l'eau La compressibilité associée aux fluctuations de volume • La chaleur spécifique, • associée aux fluctuations d’entropie. • Le coefficient d’expansion • . Il devient négatif à 4° C ( 3,98°C): en dessous de 4° l’eau se contracte quand elle est chauffée . Il y a un maximum de densité à 4°. • La viscosité de l’eau décroît avec la pression (en dessous de 33°C).

9. LA LIAISON HYDROGENE La liaison hydrogène est une liaison chimique très particulière. Elle se forme sous certaines conditions. Les liaisons hydrogènes peuvent s'établir entre deux molécules dont l'une est donneur et l'autre accepteur de proton. C'est le schéma classique des complexes acide base, AH représente l'acide et B la base : AH + B A-H---B La liaison hydrogène met en jeu peu d'énergie, quelques Kcal. La bonne réponse, mais encore floue, est probablement a rechercher dans un traitement de plusieurs particules quantiques. Les électrons de la liaison covalent O-H, mais aussi le proton (H+) qui en raison de sa masse assez petite (comparé a celle d’atomes plus gros) a un comportement très quantique (délocalisation en particulier). Mais la fonction d’onde de l’ensemble de deux électrons et d’un proton n’est pas facile a décrire. Masse proton/masse électron =1836 Dans le même potentiel harmonique hw proton= hw électron/Sqrt(1836)

10. La liaison hydrogène

11. Une tentative d'explication Une tentative d'explication de l'existence de deux phases d'eau : basse et haute densité. a) Potentiel classique. b) potentiel avec un double puits : a pression et température assez faible le liquide condense dans le puits étroit conduisant à une faible densité. c) Clusters de deux molécules montrant deux configurations possibles.

12. Clusters d’eau Modèle en « clusters » de l’eau. Mais la dynamique des liaisons hydrogène est rapide avec une durée de vie de 0,5 ps.

13. La liaison hydrogène • Quelles propriétés possèdent donc la liaison hydrogène pour donner de tels effets ? • -Comme les liaisons covalentes, La liaison hydrogène est directionnelle : elle s’aligne dans l’axe de la liaison de valence qui lui est associée. Par exemple, dans l’eau, les 3 atomes O, H et O de la liaison O-H.......O sont alignés. • - L’énergie de formation de la liaison hydrogène est de l'ordre des énergies mises en jeu dans les fluctuations thermiques à la température ambiante (27°Celsius). Aussi, de telles liaisons peuvent-elles se tordre, se rompre ou se restaurer à cette température. Cette propriété donne une souplesse et la possibilité d'évoluer à la température ambiante. Cette souplesse et ces possibilités d'évolution sont indispensables aux molécules biologiques. C'est aussi cette souplesse de la liaison hydrogène et la grande polarité de la molécule d’eau qui vont, par exemple, permettre à l'eau de construire autour d'un ion un écran de molécules H2O souple, résistant et couvrant tout l'espace autour de cet ion, l’empêchant de se combiner à nouveau avec des ions de signe opposé et le maintenant "dissous" au sein de l'eau. Beaucoup de molécules constituant d'autres liquides sont aussi polaires. Mais incapables d'établir suffisamment de liaisons hydrogène entre elles dans tout l'espace, pour former un réseau souple et résistant, elles sont incomparablement moins efficaces que l’eau pour dissoudre sels, acides ou bases. • -Enfin, la liaison hydrogène est capable de transférer des ions H+ entre les molécules qu'elle lie. Cette propriété est très importante car elle est à l’origine de la réactivité des milieux aqueux. Sans elle, ceux-ci seraient inertes et la vie ne serait pas possible, car les molécules biologiques doivent en permanence réagir pour rester actives. Ce sont les molécules H2O qui autorisent ces transferts d’ions H+ en établissant certaines liaisons hydrogène spécifiques, en d'autres termes qu'elles donnent le feu vert pour que des molécules

14. Hydrophilie et hydrophobie • Un “ cluster” de CH4 isolé dans l’eau : il y a une interface de liaisons hydrogènes. • "l'effet hydrophobe" des corps hydrophobes dissous dans l'eau (telle que les gaz non polaires) est principalement une conséquence des changements de l’organisation des interactions environnantes dans l'eau plutôt qu’ une interaction eau-corps dissous. La structure de l'eau au voisinage des surfaces hydrophobes est modifiée 

15. Molécules amphiphiles • Il existe des molécules ayant une partie hydrophobe et une hydrophile : molécules amphiphiles, par exemple lipides, savons, détergents. • Une molécule amphiphile (phile = qui aime, amphi = les deux) est composée d'une "tête" polaire hydrophile et d'une "queue" hydrophobe, repoussée par le milieu aqueux. Cette double affinité fait que les molécules s'assemblent de façon à exposer leur tête et protéger leur extrémité lipidique. Parmi les structures les plus simples qui peuvent se former à partir de telles molécules se trouvent les membranes bi-couches, de très faible épaisseur par rapport à leur extension.