Des nouvelles connaissances sur la liaison hydrogène du sulfure d’hydrogène

À première vue, le glaçon dans votre boisson gazeuse et l’odeur de la fameuse salade d’œufs de grand-mère n’ont pas grand-chose en commun. Pourtant, d’un point de vue chimique, les molécules sous-jacentes, l’eau (H2O) et le sulfure d’hydrogène (H2S), ne sont pas si différentes. La liaison entre l’hydrogène d’une molécule d’eau et l’oxygène d’une autre molécule d’eau a été étudiée en détail. La question de savoir si le grand frère H2S se comporte de la même manière est toutefois moins bien comprise.

Une nouvelle étude du pôle d’excellence de Bochum « Ruhr Explores Solvation » (RESOLV) comble cette lacune. L’équipe de chimie physique 2 de l’université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne, a publié ses résultats avec des collègues d’Atlanta et de Nimègue dans la revue Nature Communications le 5 novembre 2024.

La recherche expérimentale du groupe de Bochum du professeur Martina Havenith a été complétée par des études théoriques du professeur Joel Bowman de l’université Emory d’Atlanta et du professeur Ad van der Avoird de l’université Radboud de Nimègue.

Le H2S est considéré comme l’une des molécules soufrées les plus primitives du milieu interstellaire et comme un élément essentiel de divers processus biologiques chez les mammifères. La communauté des chimistes l’a étudiée à l’aide de plusieurs études infrarouges, mais une certaine incertitude subsistait quant au comportement du H2S.

Spectroscopie IR à haute résolution dans des nano-gouttelettes d’hélium superfluide

La technique spectroscopique utilisée pour enregistrer les molécules de H2S est assez peu conventionnelle. Pour réaliser l’expérience, des molécules uniques de H2S ont été intégrées dans des gouttelettes d’hélium superfluide à l’intérieur d’une chambre à vide. En faisant varier la quantité de gaz H2S dans la chambre à vide, les chercheurs de Bochum Svenja Jäger, Philipp Meyer et Jai Khatri ont pu contrôler statistiquement le nombre de molécules captées par les gouttelettes d’hélium et optimiser les conditions de manière à ce qu’en moyenne, toujours deux molécules soient captées en même temps.

Les gouttelettes sont constituées d’hélium superfluide, qui possède des propriétés uniques par rapport aux fluides normaux. Certaines de ces caractéristiques particulières sont la conductivité thermique très élevée, qui maintient les gouttelettes et les molécules qu’elles contiennent proches du 0 Kelvin absolu, la transparence dans la gamme spectrale allant des UV à l’infrarouge lointain et l’interaction presque inexistante du fluide avec les molécules qu’il contient. Ces trois caractéristiques sont cruciales pour la performance de l’expérience, car elles ont permis aux scientifiques d’étudier l’interaction entre deux molécules de H2S sans aucune interférence d’autres molécules ou d’énergie thermique. Il en est résulté des spectres IR à haute résolution, qui n’ont pas seulement montré les mouvements vibratoires du dimère de H2S, mais aussi ses rotations et ses fractionnements par effet tunnel.

Le fractionnement par effet tunnel décrit la séparation des niveaux d’énergie due à une petite barrière énergétique entre deux structures différentes de la même molécule.

Les bases d’une meilleure compréhension de la liaison hydrogène

Ces résultats expérimentaux ont ensuite été complétés par des calculs théoriques, qui ont permis de caractériser le fractionnement énergétique des molécules de H2S à l’état fondamental et à l’état excité. En comparaison avec l’eau, il a été constaté que la liaison entre les molécules de H2S est plus souple à l’état fondamental. Néanmoins, lors de l’excitation d’une des molécules, la liaison hydrogène devient très similaire à celle de l’eau.

En outre, les chercheurs ont pu caractériser et réattribuer des signaux vibratoires déjà publiés par d’autres chimistes et réaliser un test sensible pour les méthodes de calcul les plus modernes. Ces méthodes sont utilisées pour prédire les interactions de différentes molécules et pour s’assurer que leurs prédictions sont correctes, elles doivent être comparées à des expériences.

L’étude de la liaison entre de petites molécules telles que l’eau et, dans le cas présent, le H2S, améliore considérablement la compréhension de la chimie fondamentale et permet donc de développer des calculs théoriques encore plus précis, tout en favorisant la compréhension de systèmes chimiques plus complexes.

Légende illustration : Philipp Meyer et Svenja Jäger dans le laboratoire de l’université de la Ruhr à Bochum. Crédit : Yvonne Kasper

Article : « On the nature of hydrogen bonding in the H2S dimer » – DOI : s41467-024-53444-6

Source : Ruhr-University Bochum (RUB) – Traduction Enerzine.com