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

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 l’ordinateur, Est-il possible de prédire la structure d’une molécule? calculer le sens d’une réaction chimique ?

De quoi dispose le chimiste pour connaître une molécule ? De méthodes optiques : L’absorption infrarouge et dans la région des hyperfréquences; La spectroscopie d’émission; La diffusion de la lumière; L’effet RAMAN; La spectroscopie électronique, …

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

De quoi dispose le chimiste pour connaître une molécule ? De méthodes par diffraction : des rayons X (structures cristallines); des neutrons (structure magnétique de solides); d’électrons (microscope électronique), ...

Quels ont les résultats disponibles ? D’une manière générale, on obtient : La structure géométrique de la molécule longueurs de liaison, angles de liaison. La structure électrique de la molécule. Sa structure magnétique. La structure électroniques de l’état fondamental et des états excités.

Les approches purement théoriques Les technologies de l’informatique sont maintenant si puissantes et si rapides qu’il existe des logiciels (progiciels) qui permettent de calculer tous ces paramètres sans la nécessité d’une quelconque référence à l’expérience. On les appelle des calculs ab initio. Spectroscopies et calculs ab initio constituent deux approches complémentaires.

L’énergie et les molécules La molécule accumule de l’énergie sous la forme de : mouvements de translation (énergie cinétique); mouvements de rotation; mouvements de vibration; sauts électroniques. Elle constitue donc un réservoir d’énergie à multiples facettes.

Comment se répartit l’énergie dans une molécule ? La mécanique classique prévoit que l’énergie peut prendre n’importe quelle valeur dans n’importe quel réservoir : l’énergie prend des valeurs continues. La mécanique quantique prévoit que l’énergie ne prend pas n’importe quelle valeur : l’énergie prend des valeurs discrètes; on dit aussi que les niveaux d’énergie sont quantifiés.

Existe-t-il un lien entre l’énergie d’une molécule et les fonctions thermodynamiques ? La répartition de l’énergie dans une molécule obéit à la loi de BOLTZMANN. La probabilité P de trouver de trouver une molécule avec une énergie e est donnée par le facteur de BOLTZMANN : P = e- e /kT Ceci est aussi vrai pour chacun des réservoirs en translation, en rotation, en vibration, ...

Existe-t-il un lien entre l’énergie d’une molécule et les fonctions thermodynamiques ? À l’échelle de la mole, la somme des énergies portées par chaque molécule est égale à l’énergie interne de la mole. On verra qu’il existe une fonction simple qui permet de faire le lien mathématique entre l’énergie interne telle que précédemment définie et les fonctions thermodynamiques.

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

Conclusion On peut donc à partir de la structure fine des molécules remonter aux fonctions thermodynamiques que sont DH, DG, DS,... On saura donc prévoir la faisabilité d’une réaction chimique, calculer les équilibres,… On saura aussi prévoir et calculer les vitesses réactionnelles (cinétique chimique).