Molécule

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"Molecules" et "Molecular" redirigent ici. Pour d'autres utilisations, voir molécule (homonymie) .

Image de microscopie à force atomique (AFM) d'une molécule de PTCDA , dans laquelle les cinq anneaux à six carbones sont visibles. [1]
Une image de microscopie à effet tunnel de molécules de pentacène , qui se composent de chaînes linéaires de cinq anneaux de carbone. [2]
Image AFM du 1,5,9-trioxo-13-azatriangulène et de sa structure chimique. [3]

Une molécule est un groupe électriquement neutre de deux atomes ou plus maintenus ensemble par des liaisons chimiques . [4] [5] [6] [7] [8] Les molécules se distinguent des ions par leur absence de charge électrique .

En physique quantique , en chimie organique et en biochimie , la distinction avec les ions est abandonnée et la molécule est souvent utilisée pour désigner les ions polyatomiques .

Dans la théorie cinétique des gaz , le terme molécule est souvent utilisé pour toute particule gazeuse quelle que soit sa composition. Cela viole la définition selon laquelle une molécule contient deux atomes ou plus , car les gaz rares sont des atomes individuels. [9]

Une molécule peut être homonucléaire , c'est-à-dire qu'elle est constituée d'atomes d'un élément chimique , comme avec deux atomes dans la molécule d' oxygène (O 2 ); ou il peut être hétéronucléaire , un composé chimique composé de plus d'un élément, comme avec l' eau (deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène; H 2 O).

Les atomes et les complexes connectés par des interactions non covalentes , telles que les liaisons hydrogène ou les liaisons ioniques , ne sont généralement pas considérés comme des molécules uniques. [dix]

Les molécules en tant que composants de la matière sont courantes. Ils constituent également la majeure partie des océans et de l'atmosphère. La plupart des substances organiques sont des molécules. Les substances de la vie sont des molécules, par exemple les protéines, les acides aminés dont elles sont constituées, les acides nucléiques (ADN et ARN), les sucres, les glucides, les graisses et les vitamines. Les minéraux nutritifs ne sont généralement pas des molécules, par exemple le sulfate de fer.

Cependant, la majorité des substances solides connues sur Terre ne sont pas constituées de molécules. Ceux-ci incluent tous les minéraux qui composent la substance de la Terre, le sol, la saleté, le sable, l'argile, les cailloux, les roches, les rochers, le substrat rocheux , l' intérieur en fusion et le noyau de la Terre . Tous contiennent de nombreuses liaisons chimiques, mais ne sont pas constitués de molécules identifiables.

Aucune molécule typique ne peut être définie pour les sels ni pour les cristaux covalents , bien que ceux-ci soient souvent composés de cellules unitaires répétitives qui s'étendent soit dans un plan , par exemple le graphène ; ou en trois dimensions, par exemple diamant , quartz , chlorure de sodium . Le thème de la structure cellulaire unitaire répétée vaut également pour la plupart des métaux qui sont des phases condensées avec une liaison métallique . Ainsi, les métaux solides ne sont pas constitués de molécules.

Dans les verres , qui sont des solides qui existent dans un état désordonné vitreux, les atomes sont maintenus ensemble par des liaisons chimiques sans présence d'aucune molécule définissable, ni d'aucune de la régularité de répétition de la structure cellulaire unitaire qui caractérise les sels, les cristaux covalents et métaux.

Science moléculaire

La science des molécules est appelée chimie moléculaire ou physique moléculaire , selon que l'accent est mis sur la chimie ou la physique. La chimie moléculaire traite des lois régissant l'interaction entre les molécules qui entraîne la formation et la rupture de liaisons chimiques , tandis que la physique moléculaire traite des lois régissant leur structure et leurs propriétés. Dans la pratique, cependant, cette distinction est vague. En sciences moléculaires, une molécule consiste en un système stable ( état lié ) composé de deux atomes ou plus . Les ions polyatomiques peuvent parfois être utilement considérés comme des molécules chargées électriquement. Le terme molécule instable est utilisé pour trèsles espèces réactives , c'est-à-dire les assemblages ( résonances ) d'électrons et de noyaux à courte durée de vie , tels que les radicaux , les ions moléculaires , les molécules de Rydberg , les états de transition , les complexes de van der Waals ou les systèmes d'atomes en collision comme dans le condensat de Bose-Einstein .

Histoire et étymologie

Article principal: Histoire de la théorie moléculaire

Selon Merriam-Webster et le dictionnaire d'étymologie en ligne , le mot «molécule» dérive du latin « moles » ou petite unité de masse.

  • Molécule (1794) - "particule extrêmement minuscule", du français molécule (1678), du nouveau latin molecula , diminutif du latin moles "masse, barrière". Un sens vague au début; la vogue du mot (utilisé jusqu'à la fin du XVIIIe siècle uniquement sous forme latine) remonte à la philosophie de Descartes . [11] [12]

La définition de la molécule a évolué au fur et à mesure que la connaissance de la structure des molécules s'est accrue. Les définitions précédentes étaient moins précises, définissant les molécules comme les plus petites particules de substances chimiques pures qui conservent toujours leur composition et leurs propriétés chimiques. [13] Cette définition se décompose souvent car de nombreuses substances dans l'expérience ordinaire, telles que les roches , les sels et les métaux , sont composées de grands réseaux cristallins d' atomes ou d' ions chimiquement liés , mais ne sont pas constituées de molécules discrètes.

Collage

Les molécules sont maintenues ensemble par une liaison covalente ou une liaison ionique . Plusieurs types d'éléments non métalliques n'existent que sous forme de molécules dans l'environnement. Par exemple, l'hydrogène n'existe que sous forme de molécule d'hydrogène. Une molécule d'un composé est constituée d'au moins deux éléments. [14] Une molécule homonucléaire est composée de deux ou plusieurs atomes d'un seul élément.

Alors que certaines personnes disent qu'un cristal métallique peut être considéré comme une seule molécule géante maintenue ensemble par une liaison métallique , [15] d' autres soulignent que les métaux agissent très différemment des molécules. [16]

Covalent

Une liaison covalente formant H 2 (à droite) où deux atomes d'hydrogène partagent les deux électrons
Article principal: liaison covalente

Une liaison covalente est une liaison chimique qui implique le partage de paires d'électrons entre les atomes . Ces paires d'électrons sont appelées paires partagées ou paires de liaisons , et l'équilibre stable des forces attractives et répulsives entre les atomes, lorsqu'ils partagent des électrons, est appelé liaison covalente . [17]

Ionique

Article principal: liaison ionique
Le sodium et le fluor subissent une réaction redox pour former du fluorure de sodium . Le sodium perd son électron externe pour lui donner une configuration électronique stable , et cet électron pénètre dans l'atome de fluor de manière exothermique .

La liaison ionique est un type de liaison chimique qui implique l' attraction électrostatique entre des ions de charge opposée , et est la principale interaction se produisant dans les composés ioniques . Les ions sont des atomes qui ont perdu un ou plusieurs électrons (appelés cations ) et des atomes qui ont gagné un ou plusieurs électrons (appelés anions ). [18] Ce transfert d'électrons est appelé électrovalence par opposition à la covalence . Dans le cas le plus simple, le cation est un atome de métal et l'anion est un non - métalatome, mais ces ions peuvent être de nature plus compliquée, par exemple des ions moléculaires comme NH 4 + ou SO 4 2− .

Aux températures et pressions normales, la liaison ionique crée principalement des solides (ou parfois des liquides) sans molécules identifiables séparées, mais la vaporisation / sublimation de ces matériaux produit de petites molécules séparées où les électrons sont encore transférés suffisamment pour que les liaisons soient considérées comme ioniques plutôt que covalentes. .

Taille moléculaire

La plupart des molécules sont beaucoup trop petites pour être vues à l'œil nu, bien que les molécules de nombreux polymères puissent atteindre des tailles macroscopiques , y compris des biopolymères tels que l' ADN . Les molécules couramment utilisées comme éléments constitutifs de la synthèse organique ont une dimension de quelques angströms (Å) à plusieurs dizaines de Å, soit environ un milliardième de mètre. Les molécules uniques ne peuvent généralement pas être observées à la lumière (comme indiqué ci-dessus), mais de petites molécules et même les contours d'atomes individuels peuvent être tracés dans certaines circonstances à l'aide d'un microscope à force atomique . Certaines des plus grosses molécules sont des macromolécules ou des supermolécules .

La plus petite molécule est l' hydrogène diatomique (H 2 ), avec une longueur de liaison de 0,74 Å. [19]

Le rayon moléculaire effectif est la taille qu'une molécule affiche en solution. [20] [21] Le tableau de permsélectivité pour différentes substances contient des exemples.

Formules moléculaires

Types de formules chimiques

Article principal: formule chimique

La formule chimique d'une molécule utilise une ligne de symboles d' éléments chimiques , de nombres et parfois également d'autres symboles, tels que des parenthèses, des tirets, des crochets et des signes plus (+) et moins (-). Ceux-ci sont limités à une ligne typographique de symboles, qui peut inclure des indices et des exposants.

La formule empirique d' un composé est un type très simple de formule chimique. [22] Il est le plus simple entier rapport des éléments chimiques qui la constituent. [23] Par exemple, l'eau est toujours composée d'un rapport de 2: 1 des atomes d' hydrogène aux atomes d' oxygène , et l' éthanol (alcool éthylique) est toujours composé de carbone , d' hydrogène et d' oxygène dans un rapport de 2: 6: 1. Cependant, cela ne détermine pas uniquement le type de molécule - l'éther diméthylique a les mêmes rapports que l'éthanol, par exemple. Molécules avec les mêmes atomesdans différents arrangements sont appelés isomères . Les glucides, par exemple, ont également le même rapport (carbone: hydrogène: oxygène = 1: 2: 1) (et donc la même formule empirique) mais des nombres totaux d'atomes différents dans la molécule.

La formule moléculaire reflète le nombre exact d'atomes qui composent la molécule et caractérise ainsi différentes molécules. Cependant, différents isomères peuvent avoir la même composition atomique tout en étant des molécules différentes.

La formule empirique est souvent la même que la formule moléculaire mais pas toujours. Par exemple, la molécule d' acétylène a la formule moléculaire C 2 H 2 , mais le rapport entier le plus simple des éléments est CH.

La masse moléculaire peut être calculée à partir de la formule chimique et est exprimée en unités de masse atomique conventionnelles égales à 1/12 de la masse d'un atome de carbone-12 neutre ( isotope 12 C ). Pour les solides de réseau , le terme unité de formule est utilisé dans les calculs stœchiométriques .

Formule structurelle

Représentations 3D (gauche et centre) et 2D (droite) de la molécule terpénoïde atisane
Article principal: formule structurelle

Pour les molécules avec une structure tridimensionnelle compliquée, impliquant en particulier des atomes liés à quatre substituants différents, une formule moléculaire simple ou même une formule chimique semi-structurelle peut ne pas être suffisante pour spécifier complètement la molécule. Dans ce cas, un type graphique de formule appelée formule structurelle peut être nécessaire. Les formules structurales peuvent à leur tour être représentées avec un nom chimique unidimensionnel, mais une telle nomenclature chimique nécessite de nombreux mots et termes qui ne font pas partie des formules chimiques.

Géométrie moléculaire

Article principal: géométrie moléculaire
Structure et image STM d'une molécule de dendrimère "cyanostar" . [24]

Les molécules ont des géométries d' équilibre fixes - longueurs et angles de liaison - autour desquelles elles oscillent continuellement par des mouvements de vibration et de rotation. Une substance pure est composée de molécules de même structure géométrique moyenne. La formule chimique et la structure d'une molécule sont les deux facteurs importants qui déterminent ses propriétés, en particulier sa réactivité . Les isomères partagent une formule chimique mais ont normalement des propriétés très différentes en raison de leurs structures différentes. Les stéréoisomères , un type particulier d'isomère, peuvent avoir des propriétés physico-chimiques très similaires et en même temps des activités biochimiques différentes .

Spectroscopie moléculaire

Article principal: spectroscopie
L'hydrogène peut être éliminé des molécules H 2 TPP individuelles en appliquant une tension excessive à la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM, a); cette élimination modifie les courbes courant-tension (IV) des molécules TPP, mesurées à l'aide de la même pointe STM, du type diode (courbe rouge en b) au type résistance (courbe verte). Photo (c) montre une rangée de TPP, H 2 molécules TPP et TPP. Pendant la numérisation de l'image (d), une tension excessive a été appliquée à H 2 TPP au niveau du point noir, qui a instantanément éliminé l'hydrogène, comme indiqué dans la partie inférieure de (d) et dans l'image de nouvelle numérisation (e). De telles manipulations peuvent être utilisées dans l' électronique à molécule unique . [25]

La spectroscopie moléculaire traite de la réponse ( spectre ) des molécules interagissant avec des signaux de sonde d' énergie connue (ou de fréquence , selon la formule de Planck ). Les molécules ont des niveaux d'énergie quantifiés qui peuvent être analysés en détectant l'échange d'énergie de la molécule par absorbance ou émission . [26] La spectroscopie ne se réfère généralement pas aux études de diffraction où des particules telles que des neutrons , des électrons ou des rayons X à haute énergie interagissent avec un arrangement régulier de molécules (comme dans un cristal).

La spectroscopie micro-ondes mesure généralement les changements dans la rotation des molécules et peut être utilisée pour identifier des molécules dans l'espace extra-atmosphérique. La spectroscopie infrarouge mesure la vibration des molécules, y compris les mouvements d'étirement, de flexion ou de torsion. Il est couramment utilisé pour identifier les types de liaisons ou de groupes fonctionnels dans les molécules. Les changements dans la disposition des électrons produisent des raies d'absorption ou d'émission dans la lumière ultraviolette, visible ou proche infrarouge , et entraînent une couleur. La spectroscopie par résonance nucléaire mesure l'environnement de noyaux particuliers dans la molécule et peut être utilisée pour caractériser le nombre d'atomes dans différentes positions dans une molécule.

Aspects théoriques

L'étude des molécules par la physique moléculaire et la chimie théorique est largement basée sur la mécanique quantique et est essentielle pour la compréhension de la liaison chimique . La plus simple des molécules est l' ion-molécule d'hydrogène , H 2 + , et la plus simple de toutes les liaisons chimiques est la liaison à un électron . H 2 + est composé de deux protons chargés positivement et d'un électron chargé négativement , ce qui signifie que l' équation de Schrödingercar le système peut être résolu plus facilement en raison du manque de répulsion électron-électron. Avec le développement des ordinateurs numériques rapides, des solutions approximatives pour des molécules plus complexes sont devenues possibles et sont l'un des principaux aspects de la chimie computationnelle .

En essayant de définir rigoureusement si un arrangement d'atomes est suffisamment stable pour être considéré comme une molécule, l'IUPAC suggère qu'il "doit correspondre à une dépression sur la surface d'énergie potentielle qui est suffisamment profonde pour confiner au moins un état vibrationnel". [4] Cette définition ne dépend pas de la nature de l'interaction entre les atomes, mais seulement de la force de l'interaction. En fait, il comprend des espèces faiblement liées qui ne seraient pas traditionnellement considérées comme des molécules, comme le dimère d' hélium , He 2 , qui a un état lié vibrationnel [27] et est si vaguement lié qu'il n'est vraisemblablement observé qu'à des températures très basses.

La question de savoir si un arrangement d'atomes est suffisamment stable pour être considéré comme une molécule est intrinsèquement une définition opérationnelle. Philosophiquement, donc, une molécule n'est pas une entité fondamentale (contrairement, par exemple, à une particule élémentaire ); plutôt, le concept de molécule est la manière du chimiste de faire une déclaration utile sur les forces des interactions à l'échelle atomique dans le monde que nous observons.

Voir également

  • Atome
  • Polarité chimique
  • Une liaison covalente
  • Molécule diatomique
  • Liste des composés
  • Liste des molécules interstellaires et circumstellaires
  • Biologie moléculaire
  • Logiciel de conception moléculaire
  • Génie moléculaire
  • Géométrie moléculaire
  • Hamiltonien moléculaire
  • Ion moléculaire
  • Modélisation moléculaire
  • Promiscuité moléculaire
  • Orbitale moléculaire
  • Liaison non covalente
  • Systèmes périodiques de petites molécules
  • Petite molécule
  • Comparaison des logiciels de modélisation en mécanique moléculaire
  • Molécule de Van der Waals
  • Matrice moléculaire mondiale

Les références

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Liens externes

  • Molécule du mois - École de chimie, Université de Bristol