Quelle est la forme d'une molécule? - George Zaidan et Charles Morton

Quelle est la forme d'une molécule ? Une molécule, c'est essentiellement de l'espace vide. Quasiment toute sa masse est concentrée dans le noyau extrêmement dense de ses atomes. Et ses électrons, qui déterminent comment les atomes se lient entre eux, sont plus comme des nuages de charges négatives plutôt que des particules individuelles discrètes. Donc, une molécule n'a pas de forme dans le même sens que, par exemple, une statue a une forme. Mais pour chaque molécule, il y a au moins une façon d'arranger les noyaux et les électrons de façon à maximiser l'attraction des charges opposées et minimiser la répulsion des charges égales. Maintenant, supposons que les seuls électrons qui importent dans la forme de la molécule sont les plus externes de chaque atome participant. Et supposons également que le nuage d'électrons entre les atomes, en d'autres termes, les liaisons d'une molécule, ont une forme proche d'une saucisse. Souvenez-vous que les noyaux sont chargés positivement et les électrons négativement, et si tous les noyaux d'une molécule étaient rassemblés ou si tous les électrons étaient rassemblés, ils se repousseraient et s'éloigneraient, et ça ne fait les affaires de personne. En 1776, Alessandro Volta, des décennies avant qu'il n'invente la pile, découvrait le méthane. La formule chimique du méthane est CH4. Et cette formule nous dit que chaque molécule de méthane est composée d'un atome de carbone et de quatre atomes d'hydrogène, mais ça ne nous dit pas qui est lié a qui ni comment ces atomes sont disposés dans l'espace en 3D. De leurs configurations électroniques, nous savons que le carbone peut se lier avec quatre autres atomes au plus, et que chaque hydrogène ne peut se lier qu'à un seul autre atome. Donc, nous pouvons deviner que le carbone doit être l'atome central lié à tous ceux d'hydrogène. Chaque liaison représente le partage de deux électrons et nous dessinons chaque paire d'électrons partagés en une ligne. Donc, maintenant nous avons une représentation plane de cette molécule, mais à quoi ressemblerait-elle en trois dimensions ? Nous pouvons raisonnablement dire que du fait de chacune de ces liaisons est une région de charge négative et que les charges similaires se repoussent mutuellement, la configuration atomique la plus favorable devrait maximiser la distance entre les liaisons. Et pour avoir toutes ces liaisons aussi éloignés les unes des autres que possible, la forme optimale est celle-ci. Ceci est un tétraèdre. Mais en fonction du nombre d'atomes différents impliqués, vous pouvez avoir des tas de formes différentes. L'ammoniac, ou NH3, a la forme d'une pyramide. Le dioxyde de carbone, ou CO2, est une ligne droite. L'eau, H2O, est coudée comme votre coude. Et le trifluorure de chlore, ou ClF3, a la forme de la lettre 'T'. Souvenez-vous que ce que nous avons fait jusqu'à maintenant c'est d'élaborer notre modèle de l'atome et des électrons pour construire des formes 3D. Il nous faudrait faire des expériences pour déterminer si ces molécules ont les formes que nous avons prédites. Je vais vous faire une révélation : La plupart ont la forme prédite, mais certaines non. Les formes deviennent de plus en plus compliqués à mesure que vous augmentez le nombre d'atomes. Tous les exemples dont nous venons de parler n'avait qu'un atome dont on voyait qu'il devait être au centre, mais la plupart des molécules, des molécules pharmaceutiques relativement petites jusqu'aux longs polymères comme l'ADN ou les protéines, n'en ont pas. Ce qu'il faut vraiment retenir c'est que les atomes liés vont s'organiser pour maximiser l'attraction entre charges opposées et minimiser la répulsion des charges égales. Quelques molécules ont même deux dispositions stables de leurs atomes ou plus, et nous pouvons faire de la chimie très intéressante à partir des changements entre ces configurations, même quand la composition de cette molécule, c'est-à-dire le nombre et la nature de ses atomes, n'a pas changé du tout.