Qu'est ce qu'une molécule ?

Une molécule est un assemblage électriquement neutre d'atomes. Il résulte de la formation de liaisons entre les atomes. La liaison entre les atomes peut être simple si les atomes ne sont liés que par une seule liaison ou multiple si les atomes sont liés par 2 ou 3 liaisons (elle est dite double ou triple).

La première fois qu'un scientifique a évoqué le concept de molécule, c'était en 1811. C'est en effet Avogadro, un physicien et chimiste italien, qui fut le premier à distinguer les molécules des atomes.

La composition d'une molécule

Les compositions des molécules dépendent de chacune d'entres elles. On peut déduire la composition de ces dernières en fonction de leur formule chimique.

Par exemple, CO2 est une molécule de dioxyde de carbone. Cette dernière est donc composée d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygènes.

Connaissez-vous ce modèle ? Ce schéma représente un atome. Au milieu on distingue le noyau et autour le nuage atomique qui est constitué d'électrons chargés négativement.

Les caractéristiques de la molécule

Pour définir une molécule, plusieurs caractéristiques existent.

La structure de la molécule

Tout d'abord, l'état de la molécule donnera son ordonnancement. Il existe trois états différents :

  • L'état solide ;
  • L'état liquide ;
  • L'état gazeux.

A chaque état correspond une structure particulière.

A l'état solide, les molécules s'empilent, le plus souvent de manière régulière.
A l'état liquide, l'espacement entre les molécules est petit, ce qui fait qu'elles sont peu agitées.
En revanche, à l'état gazeux, les molécules sont espacées et leur agitation est maximale. C'est pour cela que l'on dit qu'un gaz prend toute la place qu'on lui offre.

Ce sont les forces d'interaction entre les molécules qui régissent leur agencement. Celui-ci est défini par les forces de Van Der Waals.

Les forces de Van Der Waals

Nommées ainsi en l'honneur de Johannes Diderik van der Waals, un physicien néerlandais du XIX ème siècle, ces forces peuvent se décrire comme les interactions électroniques entres les atomes ou molécules, qui les lient ensemble.

Johannes Diderik van der Waals fut le premier a les prendre en compte dans es calculs en 1873. Cela lui valut de recevoir en 1910 le prix Nobel de physique.

Un prix Nobel, Nobelpriset de son nom original en suédois, est une récompense au niveau mondial qui gratifie son détenteur d’être l’une des personne ayant apporté le plus grand bénéfice à l’humanité. C’est un prix qui se remet tous les ans.Le premier a été remis en 1901. Ils récompensent des découvertes ou un travail en faveur de la paix.
Il en existe 5 : le prix Nobel de physique, le prix Nobel de chimie, le prix Nobel de la paix, le prix Nobel de médecine et de physiologie et le prix Nobel de littérature.

Ce phénomène s'explique par la répartition des charges au sein d'une molécule ou au sein des couples d'atomes. Pour plus de détails, il faut néanmoins se plonger dans la physique quantique pour en comprendre les principes les plus poussés.

On peut leur trouver trois origines :

  • L'interaction électrostatique attractive entre deux multipôles induits, il s'agira dans ce cas des forces de London ;
  • L'interaction attractive entre un multipôle permanent et un multipôle induit et il s'agira des forces de Debye ;
  • L'interaction électrostatique attractive ou répulsive entre deux multipôles permanents selon leurs orientations, il s'agit alors des forces de Keesom.

Les exemples les plus flagrants des effets des forces de Van Der Waals sont les absorptions par capillarité ainsi que les systèmes d'accroche des pattes de gecko qui peuvent coller aux murs.

Connaissez-vous les liaisons de Van Der Waals ? Il existe plusieurs types de forces qui font que les molécules s'attirent les unes les autres. Vous en avez quelques exemples dans notre partie ci-dessus.

La stabilité électrique des molécules

Les molécules ont normalement une charge électrique neutre. En effet, leurs atomes sont liés par des liaisons covalentes la plupart du temps. Lorsqu'une molécule n'est pas neutre, il s'agit d'un ion.

Une liaison covalente est une liaison chimique entre deux atomes qui vont se partager deux électrons. Il peut d'agir d'un électron chacun ou d'un atome qui va partager ses deux électrons. Si une seule paire d'électrons est partagée, on parle alors d'un doublet liant. Si il y a deux pares d'électrons il s'agira d'une liaison double et s'il y a trois paires d'électrons il s'agira d'une liaison triple.

L'atome et ses électrons

La découverte de l'atome est imputable à Ernest Rutherford. Durant le début des années 1910, il s'est attelé à comprendre la composition de l'atome. Il a alors déterminé que l'atome était constitué d'un noyau qui concentrait toute la charge positive et aussi presque toute la masse de l'atome. Ce noyau est entouré d'un nuage électronique composé d'électrons.
L'un de ses collègues de laboratoire, Niels Bohr, a quant à lui démontré que les états de l'électrons dépendaient de l'énergie déterminée par le nombre n de l'atome. C'est à lui qu'on doit la compréhension de l'émission d'un photon lors d'un passage à un état inférieur.

L'électron est donc l'un des composants de l'atome au même titre que les neutrons et protons. C'est une particule élémentaire que l'on note petit e et dont la charge élémentaire est de signe négatif. Ils s'organisent autour du noyau de l'atome dans ce que l'on appelle un nuage électronique.

Les électrons et leurs propriétés ont aidé à la compréhension d'une multitude de phénomènes physiques, notamment en termes de conductivité.

Comment représenter une molécule ?

Etes-vous en bonne santé ? Voici une représentation d'une molécule adrénomédulline, une hormone peptidique présente naturellement chez l'Homme et qui sert à réguler la dilatation des vaisseaux sanguins.

Plusieurs représentations d'une molécule existent :

  • Forme brute : elle donne uniquement la composition en atomes ;
  • Forme développées ou semi-développées : ce sont les représentations planes dans lesquelles apparaissent l’enchaînement des atomes et sous forme de tirets les liaisons entre les atomes. Dans la formule développée toutes les liaisons sont représentées, dans la formule semi développée les liaisons avec l’hydrogène n'apparaissent pas.
  • Modèle moléculaire : c'est une représentation en 3 dimensions de l'édifice. Chaque atome est modélisé par une sphère de couleur donnée.

Voici les couleurs des molécules lors de leur représentation :

MoléculeCarboneOxygèneHydrogèneAzoteChlore
CouleurNoirRougeBlancBleuVert

Représentation de Lewis

Dans la représentation de Lewis, chaque atome est noté par son symbole atomique. La représentation de Lewis ne s’intéresse qu’aux électrons de la couche externe.

Les électrons de valence sont représentés par des points. Les quatre premiers électrons de la couche externe sont notés par des points que l’on place autour des atomes. Comme ces électrons sont seuls, on les nomme électrons célibataires.

Des électrons peuvent s’apparier avec ces électrons célibataires pour former des doublets électroniques. Ces doublets ou paires d’électrons se représentent sous la forme d’un trait.

Les électrons célibataires cherchent à s’apparier ensemble pour que la couche externe soit la plus stable possible donc saturée avec 8 électrons.

Les corps non moléculaires

Il existe des matériaux ou des substances non moléculaires.

C'est le cas par exemple des métaux qui ont leurs atomes qui se lient les uns aux autres par des liaisons métalliques et en mettant en commun leurs électrons.

Il en va de même pour les gaz nobles dont la couche de valence est saturée, ce qui fait qu'ils ne se composent que d'atomes indépendants les uns les autres et qui sont maintenus entre eux par les forces de Van Der Waals.

Pour finir, il reste les composés ioniques qui en temps que regroupement d'anions et de cations restent entre eux par liaison ionique et non grâce à un système moléculaire.

Identifier un groupement fonctionnel dans une molécule

Certains groupements caractéristiques d'atomes peuvent conférer à une molécule des propriétés particulières. On parle de groupements fonctionnels.

Voici quelques exemples de groupements fonctionnels :

Nom du groupementHydroxyleEtherAmineCarboxyleEsterAmide
Représentation-OHC-O-CNH2O=C-OHO=C-OO=C-NH

Exercice d’entraînement

Reproduire ces deux formules.

1-Sur la formule développée repasser :

En rouge la liaison simple entre un atome de carbone et un atome d'oxygène.

En vert la liaison double entre un atome de carbone et un atome d'oxygène.

En bleu une liaison impliquant l'hydrogène.

2-Expliquer le passage d'une formule à l'autre.

3-Donner la composition de cette molécule puis écrire sa formule brute.

4-Entourer et identifier les groupements fonctionnels.

Réponses

2-Pour passer de la formule brute à la semi développée, on résume le schéma par CH3 car on sait qu'il n'y a qu'une liaison entre C et H. (on ramasse les groupes d'atomes).

3-Formule brtue : C5H11O2N (5 atomes de carbone, 11 d'hydrogène, 2 d'oxygène et un d'azote).

4-L'unique groupement présent est le groupement carboxyle

Isomérie ou pourquoi la formule brute ne suffit pas ?

Qu'est-ce qu'un isomère ? Une formule brute peut en effet désigner plusieurs molécules différentes dans le cas d'isomères. Les formules développées ou semi-développées aideront donc à en savoir plus sur la molécule et à la différencier.

Des isomères sont des molécules ayant la même formule brute mais pas la même formule développée ou semi développée

Méthoxymétane et éthanol ont des propriétés chimiques et physiques différentes.

Exercice d'application

Voici leurs formules semi développées :

  • Méthoxymétane : CH3-O-CH3 ;
  • Ethanol : CH3-CH2-OH .

1- Entourer les groupements caractéristiques et les nommer.

2- Ecrire leurs formules brutes et conclure. Pourquoi la formule brute ne suffit-elle pas ?

Réponses

Ces deux molécules ont la même formule brute mais pas le même agencement des atomes : ce sont des isomères.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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