Maintenant que nous avons une meilleure idée de la façon dont la forme et les types de liaisons dans une molécule peuvent affecter sa polarité, regardons d’un peu plus près comment les molécules interagissent entre elles. La première chose à noter est que les molécules globalement non polaires interagissent uniquement via les forces de dispersion de London, tout comme les atomes de néon ou d’hélium. Le point d’ébullition du néon est de -246 °C alors que celui du CH4 est de -161 °C. Cela signifie que les molécules de méthane sont plus fortement attirées les unes vers les autres que les atomes de néon. Nous pouvons expliquer ce phénomène par le fait qu’une molécule de méthane est plus grande qu’un atome de néon. Comme les électrons des molécules de méthane sont dispersés sur une plus grande surface et que leur distribution (dans l’espace) est plus facile à déformer, nous disons que les molécules de méthane sont plus polarisables. En même temps, parce que les molécules de méthane sont non polaires, le point d’ébullition du méthane est beaucoup plus bas que celui des substances composées de molécules polaires de taille similaire.79

Considérons trois de ces molécules : HF (bp 19,5 °C), H2O (bp 100 °C), et NH3 (bp -33 °C). Ces trois molécules sont polaires, elles collent donc ensemble, mais pourquoi y a-t-il de si grandes différences dans leurs points d’ébullition ? La réponse réside dans le fait que les molécules interagissent entre elles de plusieurs manières. Elles interagissent toutes via les forces de dispersion de London et les interactions dipôle-dipôle. En outre, un nouveau type d’interaction, appelé liaison hydrogène (ou liaison H), est également possible. Le terme « liaison H » est quelque peu trompeur car ces liaisons sont beaucoup plus faibles que les liaisons covalentes et n’impliquent pas de partage d’électrons ; l’énergie requise pour rompre une liaison hydrogène typique est comprise entre 5 et 30 kJ/mole, alors qu’il faut plus de 400 kJ/mole pour rompre une liaison C-C.80 Dans les systèmes biologiques et dans l’eau liquide, les liaisons H se rompent et se reforment en permanence. Les liaisons hydrogène sont formées entre deux molécules distinctes.81 Contrairement aux forces de dispersion de London, mais comme les liaisons covalentes, les liaisons H ont une direction ; elles se forment lorsque l’hydrogène d’une molécule, qui est lié de manière covalente à un O, N ou F, est attiré par la paire solitaire sur un O, N de F d’une molécule voisine.

Les liaisons H sont un cas particulier d’interaction électrostatique impliquant un atome d’hydrogène qui est lié à un atome très électronégatif (typiquement l’oxygène ou le fluor) et un atome électronégatif qui possède des paires d’électrons solitaires. Lorsqu’un hydrogène est lié de cette manière, la plupart de la densité électronique se déplace vers l’atome électronégatif, laissant un δ+ relativement important sur l’hydrogène. L’eau est un exemple particulièrement important de molécule capable de s’engager dans une liaison hydrogène, car chaque molécule d’eau a la possibilité de former quatre liaisons H. Chacun des atomes d’hydrogène d’une molécule d’eau peut se lier à une autre molécule d’eau, tandis que chaque atome d’oxygène possède deux paires solitaires qui peuvent interagir avec les atomes d’hydrogène déficients en électrons de deux molécules d’eau voisines différentes, comme le montre la figure. La capacité à former un grand nombre et des réseaux de liaisons hydrogène est à l’origine de nombreuses propriétés uniques de l’eau, notamment son point de fusion, son point d’ébullition, sa capacité thermique, sa viscosité et sa faible pression de vapeur relativement élevés. En revanche, HF et NH3 ne peuvent former, en moyenne, que deux liaisons H par molécule. Pouvez-vous comprendre pourquoi ? Comme il y a moins de liaisons H à rompre, leur point d’ébullition est plus bas. Le HF a un point d’ébullition plus élevé que le NH3 car les liaisons H du HF sont plus fortes que celles du NH3. (Pouvez-vous comprendre pourquoi ?) En plus de leur rôle dans les propriétés générales de substances comme l’eau, nous verrons que les liaisons H jouent un rôle essentiel dans l’organisation des systèmes biologiques, de la structure de l’ADN et des protéines, à l’organisation des membranes lipidiques et des mécanismes catalytiques (mais nous y reviendrons plus tard).