Atome et molécule

Isotope deux atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent. Chaque atome possède une signature photonique (lumineuse) unique.

Structure des molécules Les liaisons entre les atomes pour former des molécules se matérialisent par le partage des électrons. Pour comprendre comment les molécules sont fabriquées il faut étudier la configuration des électrons des atomes. Configuration électronique des atomes La position d’un électron autour d’un atome est défini par : 𝒏 nombre quantique. 𝒍 < 𝑛 nbre quantique secondaire 𝒎 ≤ |𝑙| nbre quantique magnétique. 𝒎𝒔 ou 𝒔 𝑠𝑝𝑖𝑛 = ±0.5

Le tableau périodique permet une lecture

Rayon atomique Distance entre le noyau et le nuage électronique. C’est un peu l’équivalent de la gravité. Plus un atome contient de charges positives et moins il a d’électrons plus a tendance à les garder à proximité de son noyau.
Energie d’ionisation (ici première) (opposé d’affinité électronique) énergie requise pour arracher un électron. A →A^++e
Affinité électronique quantité d’énergie dégagée à la suite de la capture d’un électron. Elle est maximale lorsque la couche est complètement remplie.
Électronégativité capacité d’un atome à attirer des électrons notamment pour compléter ses couches. Cutoff seuil au delà duquel les intéractions entre les particules sont négligées. Un cutoff de distance est souvent défini pour exclure les interactions à longue porté.

Stabilité atomique Un atome a tendance à prendre la configuration électronique qui lui donne un niveau de stabilité maximal. La stabilité est atteinte dans les conditions suivantes par ordre de stabilité décroissant) : La couche en cours de remplissage totalement pleine ou totalement vide. La couche en cours de remplissage semi complète avec un électron dans chaque case et leur spin dans le même sens. Remarque : la configuration la plus stable correspond à la configuration électronique du gaz rare le plus proche.

Pour atteindre cet état, l’atome peut gagner ou en perdre des électrons c’est-à-dire former des ions. Lorsque l’on répartit les électrons sur les couches, il faut inverser 4S et 3D. Les électrons qui n’appartiennent pas à des doublets (case) Valence nbre d’électrons libres n’appartenant pas à des doublets. Hypervalence même nombre quantique principal pour partager ses électrons (par exemple : C, P, Na.)

Intéraction moléculaires

• Interactions électrostatiques interactions entre les charges électriques partielles des atomes ou induite des atomes.

• Potentiel de Lennard-Jones interactions de faible énergie entre des molécules neutres. Elle se traduit et une répulsion à courte distance.:

  • par une répulsion à courte distance (force de Pauli). les molécules se répulsent à cause du recouvrement des nuages électroniques.
  • par une attraction faible à moyenne distance (interactions de van der Waals) résultant de :
    • fluctuations temporaires de la distribution électronique autour des atomes.
    • du nuage électronique et le noyau entre deux molécules. Mais les noyaux des deux molécules se repoussent, tout comme les nuages électroniques.

  Les liaison covalentes

Les liaisons convalentes sont le résultat de l'hybridation des orbites atomiques.

Les électrons de valence permettent aux atomes de se lier entre eux. Leurs orbitals vont se combiner pour en former une nouvelle. On peut déduire qualitativement la forme que prendra la liaison dans l'espace en calculant une combinaison de fonctions d'onde d'orbitales atomiques.

Changement d'hybridation

Il existe un cas particulier où un atome change de structure VSEPR pour augmenter la stabilité de la molécule. Cela concerne les atomes

• sp3
• Qui possède un doublet non liant

Et qui sont dans la situation suivante (\(n\ \sigma\ \pi\)) c'est-à-dire liés à un atome par une liaison simple et l'atome est lui-même lié par une liaison double.

L'atome passe alors de \({sp}^{3} \rightarrow {sp}^{2}\) et le doublet non liant se transforme en liaison de type \(\pi\) sur la liaison simple.

Délocalisation électronique

Dans certains cas, les électrons des liaisons \(\pi\) peuvent se délocaliser sur un groupe d'atomes càd que les électrons se mettent à passer d'un atome à un autre. C'est le cas lorsqu'il y a un enchainement de liaisons sont \(\pi\ \sigma\ \pi\).

Note

Les changements d'hybridation sont toujours concernés par cette situation.

Mésomérie

La mésomérie est la superposition des états électroniques de la molécule. On la représente par des tirés.

Les moments dipolaires (force)

À cause des différences d'électronégativité entre les atomes, les électrons ne se répartissent pas équitablement dans les liaisons. Les atomes très électronégatifs auront tendance attirer et à garder les électrons proches. Cette différence provoque des pôles de charge entre les atomes. On considère qu'elle n'est pas négligeable lorsque la différence d'électronégativité entre les deux atomes est supérieure à 0,5.

Cette différence de charge se propage aux atomes voisins (jusqu'à 4). Cette propagation s'appelle l'effet inductif. On dit que l'effet inductif est attracteur (par opposition à l'effet donneur) lorsque le groupement est plus électronégatif que le carbone.

On note la charge \(\delta^+\) ou \(\delta^-\).

La somme des moments est équivalent à une force que l'on représente par une flèche orientée vers de la partie chargée négativement vers cellechargée positivement.

Note

Les dipôles sont à l'origine des liaisons d'hydrogènes.

Champs de force permet de calculer l'énergie potentielle. Il faut réaliser de par répétition :

1. caluler l'énergie potientielle et la minimiser avec \(V\) l'énergie potentielle.
2. Déterminer la force à appliquer à la molécule càd le vecteur de déplacement de la molécule qui correspond à la direction qui minimise l'énergie (potentielle) du système \(\sum{\vec{F}} = - \frac{\partial V}{\partial r_i}\)
3. Calcul de la nouvelle position atomique à partir de la position de la molècule et du vecteur de déplacement.

Cutoff seuil au delà duquel les intéractions entre les particules sont négligées. Un cutoff de distance est souvent défini pour exclure les interactions à longue porté.

L'énergie potentielle est la somme de :

• La variation dans la longueur de la liaison covante \(\sum{k \cdot (l-l_0)^2}\).

• La torsion des liaisons entre les atomes.

• Le couplage de la position des orbites.

• Les intéractions électrostatiques.