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Guy Collin, 2012-06-29 LA CHIMIE THÉORIQUE La structure des molécules.

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1 Guy Collin, LA CHIMIE THÉORIQUE La structure des molécules

2 La chimie théorique ? La chimie est une science typiquement expérimentale. Compte tenu des développements – sur le plan théorique, et – sur le plan des technologies de lordinateur, Est-il possible de – prédire la structure dune molécule? – calculer le sens dune réaction chimique ?

3 n De méthodes optiques : u Labsorption infrarouge et dans la région des hyperfréquences; u La spectroscopie démission; u La diffusion de la lumière; u Leffet RAMAN; u La spectroscopie électronique, … De quoi dispose le chimiste pour connaître une molécule ?

4 n De méthodes électroniques : u La mesure de la constante diélectrique, F Mesure de la polarisabilité électrique u La mesure du moment dipolaire, F Mesure de la symétrie électrique n De méthodes magnétiques : u La résonance magnétique nucléaire; u La résonance paramagnétique électronique. De quoi dispose le chimiste pour connaître une molécule ?

5 n De méthodes par diffraction : u des rayons X (structures cristallines); u des neutrons (structure magnétique de solides); u délectrons (microscope électronique),...

6 Quels ont les résultats disponibles ? n Dune manière générale, on obtient : n La structure géométrique de la molécule u longueurs de liaison, u angles de liaison. n La structure électrique de la molécule. n Sa structure magnétique. n La structure électroniques de létat fondamental et des états excités.

7 Les approches purement théoriques n Les technologies de linformatique sont maintenant si puissantes et si rapides quil existe des logiciels (progiciels) qui permettent de calculer tous ces paramètres sans la nécessité dune quelconque référence à lexpérience. n On les appelle des calculs ab initio. n Spectroscopies et calculs ab initio constituent deux approches complémentaires.

8 Lénergie et les molécules n La molécule accumule de lénergie sous la forme de : u mouvements de translation (énergie cinétique); u mouvements de rotation; u mouvements de vibration; u sauts électroniques. n Elle constitue donc un réservoir dénergie à multiples facettes.

9 Comment se répartit lénergie dans une molécule ? n La mécanique classique prévoit que lénergie peut prendre nimporte quelle valeur dans nimporte quel réservoir : u lénergie prend des valeurs continues. n La mécanique quantique prévoit que lénergie ne prend pas nimporte quelle valeur : u lénergie prend des valeurs discrètes; u on dit aussi que les niveaux dénergie sont quantifiés.

10 Existe-t-il un lien entre lénergie dune molécule et les fonctions thermodynamiques ? n La répartition de lénergie dans une molécule obéit à la loi de BOLTZMANN. La probabilité P de trouver de trouver une molécule avec une énergie est donnée par le facteur de BOLTZMANN : P = e /kT n Ceci est aussi vrai pour chacun des réservoirs en translation, en rotation, en vibration,...

11 Existe-t-il un lien entre lénergie dune molécule et les fonctions thermodynamiques ? n À léchelle de la mole, la somme des énergies portées par chaque molécule est égale à lénergie interne de la mole. n On verra quil existe une fonction simple qui permet de faire le lien mathématique entre lénergie interne telle que précédemment définie et les fonctions thermodynamiques.

12 Résumé n Spectroscopies diverses. Calculs ab initio. n Structure moléculaire. n Fonction mathématique simple. n Fonctions thermodynamiques, réactivité chimique.

13 Conclusion On peut donc à partir de la structure fine des molécules remonter aux fonctions thermodynamiques que sont H, G, S,... n On saura donc prévoir la faisabilité dune réaction chimique, calculer les équilibres,… n On saura aussi prévoir et calculer les vitesses réactionnelles (cinétique chimique).


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