Identifier les Types de Liaisons Chimiques
Contexte : L'électronégativitéCapacité d'un atome à attirer les électrons lors de la formation d'une liaison chimique..
La nature d'une liaison chimique entre deux atomes dépend de la manière dont les électrons sont partagés. Cette répartition est dictée par l'électronégativité de chaque atome. En calculant la différence d'électronégativité (\(\Delta\chi\)) entre deux atomes, nous pouvons prédire si leur liaison sera ioniqueLiaison formée par le transfert complet d'un ou plusieurs électrons d'un atome à un autre, créant des ions., covalente polaireLiaison où les électrons sont partagés de manière inégale entre deux atomes, créant des charges partielles. ou covalente apolaireLiaison où les électrons sont partagés de manière égale entre deux atomes.. Cet exercice vous guidera à travers cette classification.
Remarque Pédagogique : Cet exercice est fondamental pour comprendre la polarité des molécules, leur réactivité et leurs propriétés physiques comme le point d'ébullition ou la solubilité.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre les concepts de liaison ionique et covalente (polaire et apolaire).
- Savoir utiliser l'échelle d'électronégativité de Pauling.
- Calculer la différence d'électronégativité (\(\Delta\chi\)) entre deux atomes.
- Classifier une liaison chimique à partir de sa valeur de \(\Delta\chi\).
Données de l'étude
Échelle d'Électronégativité de Pauling
Élément | Symbole | Électronégativité (\(\chi\)) |
---|---|---|
Azote | N | 3.04 |
Carbone | C | 2.55 |
Chlore | Cl | 3.16 |
Hydrogène | H | 2.20 |
Magnésium | Mg | 1.31 |
Oxygène | O | 3.44 |
Sodium | Na | 0.93 |
Spectre des liaisons chimiques
Questions à traiter
- Pour la liaison entre le Sodium (Na) et le Chlore (Cl), calculer \(\Delta\chi\) et déterminer la nature de la liaison.
- Pour la liaison entre l'Oxygène (O) et l'Hydrogène (H), calculer \(\Delta\chi\) et déterminer la nature de la liaison. Préciser quel atome porte la charge partielle négative (\(\delta-\)).
- Pour la liaison entre le Carbone (C) et l'Hydrogène (H), calculer \(\Delta\chi\) et déterminer la nature de la liaison.
- Pour la liaison entre le Magnésium (Mg) et l'Oxygène (O), calculer \(\Delta\chi\) et déterminer la nature de la liaison.
- Pour la liaison entre l'Azote (N) et l'Hydrogène (H), calculer \(\Delta\chi\) et déterminer la nature de la liaison. Préciser quel atome porte la charge partielle négative (\(\delta-\)).
- Pour la liaison entre le Carbone (C) et l'Oxygène (O), calculer \(\Delta\chi\) et déterminer la nature de la liaison.
Les bases sur les liaisons chimiques
1. L'Électronégativité (\(\chi\))
C'est une mesure de la tendance d'un atome à attirer vers lui les électrons d'une liaison. Plus l'électronégativité est élevée, plus l'atome est "attracteur" d'électrons.
2. Classification des liaisons selon \(\Delta\chi\)
La nature d'une liaison est déterminée par la différence d'électronégativité entre les deux atomes, \(\Delta\chi = |\chi_A - \chi_B|\).
- Si \(\Delta\chi \le 0.4\) : La liaison est covalente apolaire. Les électrons sont partagés équitablement.
- Si \(0.4 < \Delta\chi \le 1.7\) : La liaison est covalente polaire. Le partage est inégal, créant un pôle positif (\(\delta+\)) sur l'atome le moins électronégatif et un pôle négatif (\(\delta-\)) sur le plus électronégatif.
- Si \(\Delta\chi > 1.7\) : La liaison est ionique. L'électron est considéré comme transféré d'un atome à l'autre.
Correction : Identifier les Types de Liaisons Chimiques
Question 1 : Liaison Sodium (Na) - Chlore (Cl)
Principe
Le concept physique fondamental ici est que la différence de "force d'attraction" pour les électrons (l'électronégativité) entre deux atomes détermine comment ils se lient. Une très grande différence mène à un "vol" d'électron, créant une liaison ionique.
Mini-Cours
La liaison ionique se forme typiquement entre un métal (faible \(\chi\), tendance à perdre des électrons pour former un cation) et un non-métal (fort \(\chi\), tendance à gagner des électrons pour former un anion). L'attraction électrostatique entre le cation (Na\(^+\)) et l'anion (Cl\(^-\)) constitue la liaison ionique.
Remarque Pédagogique
Visualisez le tableau périodique. Le sodium (Na) est à l'extrême gauche (Groupe 1) et le chlore (Cl) est à l'extrême droite (Groupe 17). Cette grande distance "horizontale" est un bon indicateur d'une très grande différence d'électronégativité.
Normes
La classification des liaisons se base sur l'échelle d'électronégativité de Pauling et des seuils conventionnels. Pour cette question, la norme est la règle qui stipule qu'une liaison est considérée comme ionique si \(\Delta\chi > 1.7\).
Formule(s)
Formule générale
Application au cas Na-Cl
Hypothèses
Nous faisons l'hypothèse que les valeurs de l'échelle de Pauling sont exactes pour notre contexte et que les seuils (0.4 et 1.7) sont des frontières strictes. En réalité, le caractère ionique/covalent est un spectre continu.
Donnée(s)
Paramètre | Symbole | Valeur (Pauling) |
---|---|---|
Électronégativité du Chlore | \(\chi_{\text{Cl}}\) | 3.16 |
Électronégativité du Sodium | \(\chi_{\text{Na}}\) | 0.93 |
Astuces
Une astuce rapide : la liaison entre un métal du groupe 1 ou 2 et un halogène (groupe 17) ou l'oxygène est presque toujours ionique.
Schéma (Avant les calculs)
Atomes séparés
Calcul(s)
Calcul de la différence d'électronégativité
Schéma (Après les calculs)
Formation des ions
Réflexions
La valeur de \(\Delta\chi\) (2.23) est très supérieure à 1.7. Cela indique une très forte attraction des électrons par le chlore. Le partage n'est pas une option ; l'électron de valence du sodium est transféré au chlore, formant le sel de table (NaCl).
Points de vigilance
L'erreur classique est de mal lire le tableau des électronégativités. Vérifiez toujours deux fois les valeurs avant de faire la soustraction. Une autre erreur est de mal interpréter les seuils de classification.
Points à retenir
- Une différence d'électronégativité \(\Delta\chi > 1.7\) caractérise une liaison ionique.
- La liaison ionique implique un transfert d'électron(s) et la formation d'ions.
Le saviez-vous ?
Linus Pauling, qui a développé cette échelle d'électronégativité, est l'une des rares personnes à avoir reçu deux prix Nobel non partagés : le prix Nobel de chimie en 1954 et le prix Nobel de la paix en 1962.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez \(\Delta\chi\) pour la liaison entre le Magnésium (Mg) et le Chlore (Cl). Quel est le résultat ? (Réponse attendue : 1.85)
Question 2 : Liaison Oxygène (O) - Hydrogène (H)
Principe
Ici, la différence d'électronégativité est significative mais pas assez pour un transfert complet. Le concept est celui d'un "partage inégal" d'électrons, créant une polarité au sein de la liaison covalente.
Mini-Cours
Dans une liaison covalente polaire, le nuage électronique est déformé et plus dense autour de l'atome le plus électronégatif. Cet atome acquiert une charge partielle négative (\(\delta-\)), tandis que l'autre atome acquiert une charge partielle positive (\(\delta+\)). La molécule d'eau (H\(_2\)O) est l'exemple le plus célèbre de ce phénomène.
Remarque Pédagogique
Quand vous voyez de l'hydrogène lié à un atome très électronégatif comme O, N ou F, pensez immédiatement "liaison hydrogène". Cette interaction intermoléculaire très forte est une conséquence directe de la grande polarité de la liaison O-H, N-H ou F-H.
Normes
La norme utilisée ici est la règle de classification pour les liaisons covalentes polaires : \(0.4 < \Delta\chi \le 1.7\).
Formule(s)
Application au cas O-H
Hypothèses
Nous supposons que la géométrie de la molécule n'influence pas l'électronégativité des atomes, ce qui est une simplification. Dans la réalité, l'environnement chimique d'un atome peut légèrement modifier son \(\chi\).
Donnée(s)
Paramètre | Symbole | Valeur (Pauling) |
---|---|---|
Électronégativité de l'Oxygène | \(\chi_{\text{O}}\) | 3.44 |
Électronégativité de l'Hydrogène | \(\chi_{\text{H}}\) | 2.20 |
Astuces
L'hydrogène a une électronégativité "moyenne". Sa liaison avec la plupart des non-métaux (C, N, O, S, Cl...) sera polaire (sauf avec le carbone, où la différence est très faible).
Schéma (Avant les calculs)
Atomes séparés
Calcul(s)
Calcul de la différence d'électronégativité
Schéma (Après les calculs)
Liaison Covalente Polaire
Réflexions
La valeur de 1.24 est bien dans la fourchette "covalente polaire". Le partage est inégal : les électrons passent plus de temps près de l'oxygène, ce qui lui confère une charge partielle négative et rend l'hydrogène partiellement positif. C'est ce qui fait de l'eau un excellent solvant polaire.
Points de vigilance
Ne vous contentez pas de dire "polaire". Il est crucial de préciser quel atome porte la charge négative (\(\delta-\)) et lequel porte la positive (\(\delta+\)). La charge \(\delta-\) est toujours sur l'atome le plus électronégatif.
Points à retenir
- Une différence \(0.4 < \Delta\chi \le 1.7\) caractérise une liaison covalente polaire.
- La polarité implique un partage inégal et des charges partielles \(\delta+\) et \(\delta-\).
Le saviez-vous ?
La polarité des liaisons O-H dans l'eau explique pourquoi la glace flotte. En gelant, les molécules d'eau s'arrangent via des liaisons hydrogène pour former une structure cristalline moins dense que l'eau liquide.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez \(\Delta\chi\) pour la liaison entre l'Azote (N) et le Chlore (Cl). Est-elle polaire ? (Réponse attendue : 0.12)
Question 3 : Liaison Carbone (C) - Hydrogène (H)
Principe
Lorsque deux atomes ont des forces d'attraction pour les électrons très similaires, ils les partagent de manière presque parfaitement équitable. C'est le concept de la liaison covalente apolaire, fondamentale pour comprendre les molécules non polaires comme les huiles et les graisses.
Mini-Cours
La liaison C-H est la pierre angulaire de la chimie organique. Sa nature apolaire est la raison pour laquelle les hydrocarbures (molécules faites uniquement de C et H, comme le méthane ou l'octane de l'essence) sont non polaires. Ils ne se mélangent pas à l'eau ("l'huile et l'eau ne se mélangent pas") et sont de bons solvants pour d'autres substances apolaires.
Remarque Pédagogique
Pour analyser la polarité d'une grosse molécule organique, on simplifie souvent en considérant toutes les liaisons C-H comme parfaitement apolaires. On se concentre alors sur les liaisons plus polaires (C-O, C-N, O-H...) pour déterminer la polarité globale de la molécule.
Normes
La norme appliquée est le seuil de classification pour les liaisons covalentes apolaires, qui stipule qu'une liaison est considérée comme telle si \(\Delta\chi \le 0.4\).
Formule(s)
Application au cas C-H
Hypothèses
L'hypothèse principale est que les seuils de classification sont nets. En réalité, une liaison avec \(\Delta\chi = 0.35\) a un très léger caractère polaire, mais il est jugé négligeable dans la plupart des contextes.
Donnée(s)
Paramètre | Symbole | Valeur (Pauling) |
---|---|---|
Électronégativité du Carbone | \(\chi_{\text{C}}\) | 2.55 |
Électronégativité de l'Hydrogène | \(\chi_{\text{H}}\) | 2.20 |
Astuces
Retenez simplement que le carbone et l'hydrogène sont des "partenaires équitables" en termes d'électronégativité. Leur liaison est le prototype de la liaison apolaire en chimie organique.
Schéma (Avant les calculs)
Atomes séparés
Calcul(s)
Calcul de la différence d'électronégativité
Schéma (Après les calculs)
Liaison Covalente Apolaire
Réflexions
La valeur de 0.35 est inférieure à 0.4, ce qui place clairement la liaison dans la catégorie apolaire. Le partage d'électrons est quasiment parfait, il n'y a pas de création de charges partielles significatives sur les atomes.
Points de vigilance
Attention à ne pas généraliser trop vite. Si le carbone est lié à un autre atome que l'hydrogène (comme O, N, Cl), la liaison sera très probablement polaire. Il faut évaluer chaque liaison individuellement.
Points à retenir
- La liaison Carbone-Hydrogène est l'exemple type de la liaison covalente apolaire (\(\Delta\chi \le 0.4\)).
- Cette propriété est à l'origine du caractère non polaire des chaînes hydrocarbonées (alcanes, alcènes...).
Le saviez-vous ?
Les membranes de nos cellules sont principalement constituées de lipides, qui ont de longues chaînes hydrocarbonées apolaires. Cette nature "hydrophobe" (qui n'aime pas l'eau) est essentielle pour créer une barrière imperméable entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
La liaison entre le Phosphore (P, \(\chi=2.19\)) et l'Hydrogène (H, \(\chi=2.20\)) est-elle polaire ou apolaire ? Calculez \(\Delta\chi\). (Réponse attendue : 0.01)
Question 4 : Liaison Magnésium (Mg) - Oxygène (O)
Principe
Cette question illustre un cas extrême de différence d'électronégativité entre un métal du groupe 2 et l'oxygène. Le principe est que le métal cède complètement ses électrons de valence à l'atome non métallique, ce qui conduit à une liaison ionique forte.
Mini-Cours
Le magnésium (Mg) a deux électrons sur sa couche de valence. En les perdant, il acquiert la configuration électronique stable du gaz noble néon et devient un ion Mg\(^{2+}\). L'oxygène a besoin de deux électrons pour compléter sa couche de valence et atteindre la configuration du néon, devenant un ion O\(^{2-}\). L'attraction entre ces deux ions de charge double crée un composé ionique très stable, l'oxyde de magnésium (MgO).
Remarque Pédagogique
La formation de MgO est très exothermique (elle libère beaucoup d'énergie). C'est ce que l'on observe lors de la combustion d'un ruban de magnésium : la lumière blanche et intense est la manifestation de l'énergie libérée par la formation de ces liaisons ioniques très stables.
Normes
La classification est basée sur la norme \(\Delta\chi > 1.7\) pour une liaison ionique.
Formule(s)
Application au cas Mg-O
Hypothèses
On suppose un transfert complet des deux électrons, ce qui est une idéalisation. En réalité, un très faible caractère covalent subsiste, mais il est tout à fait négligeable.
Donnée(s)
Paramètre | Symbole | Valeur (Pauling) |
---|---|---|
Électronégativité de l'Oxygène | \(\chi_{\text{O}}\) | 3.44 |
Électronégativité du Magnésium | \(\chi_{\text{Mg}}\) | 1.31 |
Astuces
Pour les examens, rappelez-vous que la liaison entre un métal alcalino-terreux (groupe 2) et un chalcogène (groupe 16, comme O ou S) est un cas d'école de liaison ionique.
Schéma (Avant les calculs)
Atomes séparés
Calcul(s)
Calcul de la différence d'électronégativité
Schéma (Après les calculs)
Formation des ions
Réflexions
Une différence de 2.13 est très élevée et ne laisse aucun doute sur la nature ionique de la liaison. Cela explique pourquoi MgO est un solide cristallin blanc avec un point de fusion extrêmement élevé (2852 °C), une propriété caractéristique des composés ioniques où les forces d'attraction sont très intenses.
Points de vigilance
Faites attention aux charges des ions. Le magnésium est dans le groupe 2, il forme donc un ion 2+. L'oxygène est dans le groupe 16, il forme un ion 2-. La neutralité électrique du composé (Mg\(^{2+}\)O\(^{2-}\)) est bien respectée.
Points à retenir
- Une très grande différence \(\Delta\chi\) (> 1.7) indique une liaison ionique.
- La liaison entre un métal du groupe 2 et un non-métal du groupe 16 est un excellent exemple de liaison ionique avec formation d'ions 2+ et 2-.
Le saviez-vous ?
L'oxyde de magnésium (MgO), en raison de son point de fusion très élevé, est utilisé comme matériau réfractaire, par exemple pour tapisser l'intérieur des fours industriels et des convertisseurs utilisés en sidérurgie.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez \(\Delta\chi\) pour la liaison entre le Calcium (Ca, \(\chi=1.00\)) et le Soufre (S, \(\chi=2.58\)). Quelle est sa nature ? (Réponse attendue : 1.58)
Question 5 : Liaison Azote (N) - Hydrogène (H)
Principe
Le principe est identique à celui de la liaison O-H : un partage inégal d'électrons entre deux non-métaux d'électronégativités différentes, conduisant à une liaison covalente polaire.
Mini-Cours
La liaison N-H est fondamentale en biochimie. Elle est au cœur des acides aminés qui forment les protéines. La polarité de cette liaison permet la formation de liaisons hydrogène, qui sont cruciales pour déterminer la structure tridimensionnelle (le "repliement") des protéines, et donc leur fonction.
Remarque Pédagogique
L'ammoniac (NH\(_3\)) est une molécule pyramidale. Les trois liaisons N-H sont polaires, et leurs moments dipolaires s'additionnent (car ils ne s'annulent pas géométriquement) pour rendre la molécule d'ammoniac globalement polaire, ce qui explique sa bonne solubilité dans l'eau.
Normes
On applique la règle de la liaison covalente polaire : \(0.4 < \Delta\chi \le 1.7\).
Formule(s)
Application au cas N-H
Hypothèses
Nous continuons de supposer que les valeurs de \(\chi\) sont constantes et indépendantes de l'environnement chimique de l'atome.
Donnée(s)
Paramètre | Symbole | Valeur (Pauling) |
---|---|---|
Électronégativité de l'Azote | \(\chi_{\text{N}}\) | 3.04 |
Électronégativité de l'Hydrogène | \(\chi_{\text{H}}\) | 2.20 |
Astuces
Retenez le trio "N, O, F". Ce sont les trois atomes les plus électronégatifs que l'on rencontre couramment. Leurs liaisons avec l'hydrogène sont toujours des exemples clairs de liaisons covalentes polaires.
Schéma (Avant les calculs)
Atomes séparés
Calcul(s)
Calcul de la différence d'électronégativité
Schéma (Après les calculs)
Liaison Covalente Polaire
Réflexions
Une différence de 0.84 place fermement la liaison N-H dans la catégorie covalente polaire. L'azote, étant plus électronégatif, tire le nuage électronique vers lui, créant un site riche en électrons (\(\delta-\)) sur l'azote et un site pauvre en électrons (\(\delta+\)) sur l'hydrogène.
Points de vigilance
Comme pour O-H, il est essentiel de bien identifier le sens de la polarité. L'atome le plus électronégatif (N) devient le pôle négatif, et le moins électronégatif (H) devient le pôle positif.
Points à retenir
- La liaison N-H est covalente polaire.
- Elle est essentielle à la structure des molécules biologiques comme les protéines et l'ADN grâce à sa capacité à former des liaisons hydrogène.
Le saviez-vous ?
La double hélice de l'ADN est stabilisée par des liaisons hydrogène spécifiques entre les bases azotées : deux liaisons H entre l'Adénine et la Thymine, et trois liaisons H (plus fortes) entre la Guanine et la Cytosine. Ces liaisons impliquent des liaisons N-H et N...H-N.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez \(\Delta\chi\) pour la liaison entre le Carbone (C, \(\chi=2.55\)) et l'Azote (N, \(\chi=3.04\)). (Réponse attendue : 0.49)
Question 6 : Liaison Carbone (C) - Oxygène (O)
Principe
Cette liaison entre deux non-métaux d'électronégativités notablement différentes est un exemple classique de polarité qui régit une grande partie de la réactivité en chimie organique.
Mini-Cours
La liaison C-O peut être simple (alcools, éthers) ou double (groupe carbonyle C=O dans les aldéhydes, cétones, acides...). Dans tous les cas, elle est fortement polaire. La conséquence est que le carbone est un site électrophile (pauvre en électrons, \(\delta+\)) et l'oxygène un site nucléophile (riche en électrons, \(\delta-\)). Cela dicte comment ces molécules réagissent.
Remarque Pédagogique
Pensez à la réactivité du groupe carbonyle C=O. Le carbone \(\delta+\) est une "cible" parfaite pour les réactifs riches en électrons (appelés nucléophiles). C'est le mécanisme de base de milliers de réactions en chimie organique.
Normes
La classification se fait selon la règle \(0.4 < \Delta\chi \le 1.7\) pour une liaison covalente polaire.
Formule(s)
Application au cas C-O
Hypothèses
Nous ne différencions pas ici une liaison simple C-O d'une double C=O. En pratique, l'environnement de la liaison peut légèrement modifier sa polarité, mais elle reste toujours dans la catégorie "polaire".
Donnée(s)
Paramètre | Symbole | Valeur (Pauling) |
---|---|---|
Électronégativité de l'Oxygène | \(\chi_{\text{O}}\) | 3.44 |
Électronégativité du Carbone | \(\chi_{\text{C}}\) | 2.55 |
Astuces
L'oxygène est le deuxième atome le plus électronégatif du tableau périodique (après le fluor). Toute liaison qu'il forme avec un autre atome (sauf le fluor) sera polaire, avec la charge \(\delta-\) sur l'oxygène.
Schéma (Avant les calculs)
Atomes séparés
Calcul(s)
Calcul de la différence d'électronégativité
Schéma (Après les calculs)
Liaison Covalente Polaire
Réflexions
La valeur de 0.89 indique une liaison fortement polaire. C'est plus polaire que C-H et N-H, mais moins que O-H. Cette polarité est la raison pour laquelle les alcools (contenant C-O-H) sont souvent solubles dans l'eau, contrairement aux alcanes (contenant seulement C-H).
Points de vigilance
Ne confondez pas la polarité d'une *liaison* avec la polarité d'une *molécule*. Une molécule contenant des liaisons polaires peut être globalement apolaire si sa géométrie est symétrique et que les moments dipolaires des liaisons s'annulent. Le CO\(_2\) (O=C=O) est l'exemple parfait : chaque liaison C=O est polaire, mais la molécule est linéaire et donc apolaire.
Points à retenir
- La liaison C-O est fortement covalente polaire.
- Le carbone y est un site électrophile (\(\delta+\)) et l'oxygène un site nucléophile (\(\delta-\)), ce qui est la clé de la réactivité des fonctions oxygénées.
Le saviez-vous ?
La forte polarité de la liaison C=O dans le dioxyde de carbone (CO\(_2\)) lui permet de vibrer en absorbant des radiations infrarouges (chaleur). C'est ce mécanisme qui fait du CO\(_2\) un gaz à effet de serre majeur, contribuant au réchauffement climatique.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Calculez \(\Delta\chi\) pour la liaison entre le Silicium (Si, \(\chi=1.90\)) et l'Oxygène (O, \(\chi=3.44\)). (Réponse attendue : 1.54)
Outil Interactif : Simulateur de Liaison
Sélectionnez deux éléments pour calculer leur différence d'électronégativité et visualiser la nature de leur liaison.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Qu'est-ce que l'électronégativité mesure principalement ?
2. Une liaison entre deux atomes identiques (par exemple, O\(_2\)) est toujours...
3. Si la différence d'électronégativité entre deux atomes est de 1.9, la liaison est très probablement :
4. Dans une molécule d'eau (H\(_2\)O), quel atome porte la charge partielle négative (\(\delta-\)) ?
5. Une faible différence d'électronégativité (ex: 0.2) entre deux atomes conduit à :
- Liaison Covalente
- Une liaison chimique formée par le partage d'une ou plusieurs paires d'électrons entre deux atomes.
- Liaison Ionique
- Une liaison formée suite à l'attraction électrostatique entre deux ions de charges opposées, généralement après un transfert d'électron.
- Électronégativité
- Une mesure de la capacité d'un atome engagé dans une liaison à attirer les électrons de cette liaison.
- Polarité d'une liaison
- Caractéristique d'une liaison covalente où le partage d'électrons est inégal, créant un dipôle électrique avec des charges partielles (\(\delta+\) et \(\delta-\)).
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