La chimie mohécutaire

est l’étude de la structure, des propriétés et des transformations des mcdécutes, en tant qu’assemôlage staôhe d’un nombre fini d’atomes.
Les atomes représentent les briques élémentaires de la matière. Lorsqu’ils s’assemblent d’une certaine manière, ils forment les molécules. Étudier la structure des molécules, ainsi que leurs propriétés, tel est l’objet de la chimie moléculaire, une branche de la chimie en perpétuelle évolution.

LA CHIMIE DES MOLÉCULES

La matière, qu’elle soit inerte ou vivante, artificielle ou naturelle, est composée de briques élémentaires appelées les atomes. Ces atomes restent rarement seuls et ont tendance à s’assembler de manière plus ou moins régulière et plus ou moins dense. Lorsqu’ils s’assemblent en nombre limité et de manière stable, selon une géométrie particulière, cela forme une molécule. Naturellement, ces molécules peuvent être de toutes les tailles. Les plus petites sont constituées de seulement deux atomes (comme la molécule d’hydrogène et ses deux atomes d’hydrogène). Mais il en existe également de très grosses, comme celles qui constituent les polymères, tels que le plastique, les colles, etc. Comme son nom l’indique, la chimie moléculaire a pour objet d’étude la molécule, et plus particulièrement les liaisons chimiques entre les atomes constituant les molécules. Nous sommes encore loin d’avoir compris la grande complexité de l’échelle moléculaire, ce qui rend cette branche de la chimie très active.
LES DEUX APPROCHES POSSIBLES
Avec le formidable bond en avant qu’a représenté l’apparition de la mécanique quantique, on distingue aujourd’hui deux approches possibles dans la chimie moléculaire. D’une part, en utilisant la mécanique quantique, on se place dans le cadre de la chimie quantique. Ici, les molécules sont systématiquement traitées avec l’équation de Schrôdinger. Cependant, la fonction d’onde étant la plupart du temps impossible à calculer, il est nécessaire de faire certaines simplifications. La chimie quantique étudie donc les liaisons chimiques et la réactivité, avec l’idée que toutes les interactions entre particules sont prises en compte. Malheureusement, cette méthode d’investigation n’est valable que pour quelques dizaines d’atomes. Pour pouvoir étudier de plus grosses molécules, il faut alors avoir recours à la mécanique moléculaire où on ne s’intéresse plus au problème électronique et au sein de laquelle on va utiliser la mécanique newtonienne afin d’approcher les structures des molécules.
L’APPROXIMATION DE BORN-OPPENHEIMER
Si l’on s’intéresse à la chimie moléculaire via la chimie quantique, on utilise le fait que les molécules obéissent aux lois de la mécanique quantique et qu’alors le calcul de la fonction d’onde d’une molécule devrait consistera résoudre l’équation de Schrôdinger indépendante du temps pour un système à N noyaux et n électrons. Comme il est impossible de la résoudre en toute généralité, les chimistes opèrent certaines approximations. La première d’entre elles s’appelle
l’approximation de Born-Oppenheimer. En pratique, elle est si bien vérifiée qu’elle n’est plus considérée comme une approximation mais comme un fait. L’idée est de remarquer que le mouvement des électrons est tellement plus rapide que celui des noyaux que ces derniers apparaissent comme immobiles vis-à-vis des électrons. Cette approximation, qui permet de calculer la fonction d’onde, est à la base du concept de « surface de potentiel ». Ensuite, sur le modèle des orbitales atomiques, on décrit les orbitales moléculaires.
LA CHIMIE MACROMOLÉCULAIRE
La chimie moléculaire prend comme objet d’étude les interactions au sein des molécules. Mais on peut vouloir aller plus loin et tenter de comprendre les liaisons entre molécules elles-mêmes. Ce sera alors l’objet d’étude de la chimie macromoléculaire. On appelle monomère un composé constitué de molécules simples pouvant réagir avec d’autres monomères pour donner un polymère (également appelé macromolécule). Un monomère a une faible masse moléculaire. Ainsi, un polymère est une grande molécule constituée d’unités fondamentales, les monomères, reliées par des liaisons covalentes. Les polymères peuvent être d’origine naturelle (animale ou végétale, comme les caoutchoucs) ou d’origine artificielle (comme le polyéthylène). La chimie macromoléculaire étudie donc la structure et les propriétés des polymères mais également la manière dont se déroule la polymérisation, la réaction qui, à partir des monomères, forme en les liant des composés de masse moléculaire plus élevée, les polymères.
LA CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE
La chimie moléculaire, en tant qu’étude de la structure, des propriétés et des transformations des molécules, peut se définir comme l’étude de la liaison covalente. En effet, cette liaison, qui consiste dans la mise en commun d’électrons par deux atomes, est l’outil fondamental utilisé par les molécules pour se structurer à partir des atomes. Mais il est possible de s’intéresser, non plus aux interactions intramoléculaires, mais aux interactions intermoléculaires. C’est alors l’objet de la chimie supramoléculaire. On y étudie des entités « au-delà de la molécule », organisées, d’une complexité supérieure, qui résultent de l’association de plusieurs espèces chimiques maintenues ensemble par des forces intermoléculaires. Cette nouvelle chimie s’appuie naturellement sur les bases de la chimie moléculaire, mais aussi sur une théorie des liaisons non covalentes qui forment des entités supramoléculaires, ces dernières possédant des propriétés aussi bien définies que les molécules elles-mêmes.
^RETENIR _ __ _
• Les molécules sont un assemblage stable d’un nombre fini d’atomes. L’étude de leur structure ou
de leurs propriétés est l’objet de la chimie moléculaire. Si l’on utilise les propriétés quantiques, on se place dans le cadre de la chimie quantique. Si par contre on s’intéresse à de grosses molécules, on se placera plutôt dans celui de la mécanique moléculaire. On peut également s’intéresser aux macromolécules (les polymères) ou aux supramolécules, pour lesquelles on étudiera les liaisons intermoléculaires plutôt qu’intramoléculaires.