La molécule, présentation

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.

Comment diviser la molécule ? Au tout début, les savants croyaient que la matière pouvait se diviser en "morceaux" de petite taille. Au fil de l'histoire, on a pris conscience d'éléments plus en plus petits : la molécule, l'atome, voir plus.

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 en 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.

Comment s'organisent les molécules ? Selon l'état de la matière, les molécules d'organisent de façon différente. Si des molécules à l'état solide sont toutes collées les unes aux autres, des molécules à l'état gazeux sont désordonnées et espacées les unes des autres.

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 s'organise l'atome ? Ce schéma vous aidera à comprendre la structure de l'atome. On y remarque tout d'abord la répartition des charges, à savoir la charge positive dans le noyau et les charges négatives qui viennent compenser, dans les électrons qui gravitent autour du noyau.

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.

Les représentations moléculaires

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 :

MoléculeHydrogèneCarboneOxygèneChloreAzote
CouleurBlancNoirRougeVertBleu

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 groupements fonctionnels

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 groupementEtherEsterAmineAmideHydroxyleCarboxyle
ReprésentationC-O-CO=C-ONH2O=C-NH-OHO=C-OH

Qu'est-ce que de l'alcool ? Les alcools sont par exemple un groupe fonctionnel particulier. En effet, tous les alcools ont un atome de carbone lié à un groupe hydroxyle. C'est le cas par exemple des éthanol, méthanol, butanol et autres molécules contenant le suffixe -ol.

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.

Exercice d'application

Benjamin Franklin, homme d'état et physicien Américain ( 1706 – 1790 ) fit l'expérience suivante :

Il alla au bord d'un étang (A Clapham, près de Londres) et versa sur l'étang, doucement, une goutte d'huile d'olive d'environ 0,3 cm3.
L'huile s'étala et Franklin estima que la surface du film d'huile valait environ 100 m² !

Il put alors déterminer l'ordre de grandeur de la taille d'une molécule d'huile.

A vous de retrouver cet ordre de grandeur.

Consignes

Votre rédaction doit reposer sur :

  • Un schéma clair et annoté ;
  • Des phrases en bon français ;
  • L'utilisation d'une expression littérale ;
  • Des unités  adaptées.

Données : Texte adapté du livre de Pierre-Gilles de Gennes : Les Objets fragiles.

Calcul de la taille d'une molécule

Examinons ce qui se passe lorsqu'on ajoute à l'eau une petite quantité d'huile. Les molécules d'huile sont des objets assez extraordinaires, elles sont plutôt petites et peuvent être assimilées à des
bâtonnets dont les deux extrémités possèdent des propriétés fortement différentes : Une extrémité de la molécule ( la « tête » ) est fortement hydrophile, c'est à dire qu'elle est attirée par l'eau. L'autre partie de la molécule ( son corps ) est résolument hydrophobe, c'est à dire qu'elle n'aime pas l'eau.

Si je plonge une telle molécule, seule dans l'eau, elle devient très « malheureuse ». Sa partie hydrophobe ne songe qu'à fuir l'eau. Aidée par l'agitation thermique, elle parvient à la surface. La situation, sans être idéale est déjà meilleure. L'extrémité hydrophile peut rester immergée avec délice dans l'eau. La partie hydrophobe peut se sécher à l'air. En se serrant les unes contre les autres comme des pingouins, les molécules d'huiles peuvent alors créer une situation presque parfaite:

tête dans l'eau, corps à l'air presque perpendiculaire à la surface. Les molécules forment ainsi à la surface de l'eau, une couche bien régulière dont l'épaisseur e est égale à la longueur d'une molécule d'huile.

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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.