- Ce résumé de cours est consacré aux modèles moléculaires.
- Tout d'abord, nous verrons les molécules, liaisons chimiques et polarité des molécules.
- Ensuite, nous explorons le dipôle électrique et la force de Van der Waals.
- Enfin, nous présenterons la modélisation moléculaire avant de définir la dynamique et la structure moléculaire.
Que sont les molécules ?
Les molécules sont les plus petites portions d'une substance qui conserve ses propriétés chimiques et physiques. Chaque molécule est un système composé d'un ensemble d'atomes organisés et liés entre eux.
Ces atomes peuvent être du même élément ou d'éléments différents, auquel cas, ils sont appelés composés.
Tous les composés sont des molécules, mais toutes les molécules ne sont pas des composés. Si une molécule est composée uniquement d'oxygène, elle ne peut pas être un composé !
Types de molécules
Les molécules sont classées en fonction de leur nombre d'atomes. Il en existe trois types :
- Molécules diatomiques ;
- Molécules triatomiques ;
- Molécules polyatomiques.
Liaisons chimiques
Pour comprendre la liaison chimique, il faut d'abord la définir.
Les liaisons chimiques sont des interactions entre deux ou plusieurs atomes qui conduisent à la formation de composés chimiques.
Pour obtenir une plus grande stabilité, en termes d'énergie, les atomes sont liés les uns aux autres par des forces d'attraction qui forment des liaisons. Chaque liaison représente une paire d'électrons.
Ces liaisons sont connues sous le nom de liaisons simples, doubles et triples. Les mécanismes par lesquels ces liaisons sont formées déterminent si elles sont covalentes ou ioniques.
Types de liaisons chimiques
Il existe trois types de liaisons chimiques en chimie.
- Liaison covalente ;
- Liaison ionique ;
- Liaison métallique.
Consulte le résumé de cours "Liaison chimique" pour plus de détails sur les types de liaisons chimiques.
Polarité moléculaire
La différence d'électronégativité entre deux atomes affecte le type de liaison formé entre eux :
- Si deux atomes ont une différence d'électronégativité supérieure à \( 1{,}7 \) , ils forment une liaison ionique.
- S'ils n'ont qu'une légère différence de \( 0{,}4 \) ou moins, ils forment une liaison covalente non polaire.
- S'ils ont une différence d'électronégativité comprise entre \( 0{,}4 \) et \( 1{,}7 \) , ils forment une liaison covalente polaire.
On peut voir cela comme une échelle mobile. Plus la différence d'électronégativité entre les deux atomes est grande, plus la liaison est ionique.
Par exemple, l'hydrogène a une électronégativité de \( 2{,}2 \) tandis que le chlore a une électronégativité de \( 3 \) . Comme nous l'avons vu plus haut, l'atome de chlore va attirer la paire d'électrons de liaison plus fortement que l'hydrogène et devenir partiellement chargé négativement. La différence entre les électronégativités des deux atomes est de \( 3{,}16-2{,}20= 0{,}96 \) .
Ce chiffre est supérieur à \( 0{,}4 \) . La liaison est donc une liaison covalente polaire.
Fig. 1- Différence d'électronégativité entre l'hydrogène et le chlore.
Une molécule polaire est un type de molécule qui présente une séparation de charge électrique, où un côté de la molécule est chargé positivement et l'autre négativement.
Par exemple, l'eau est une molécule polaire, car le côté oxygène de la molécule est chargé négativement, tandis que le côté hydrogène est chargé positivement.
Les facteurs qui contribuent à déterminer la polarité des molécules sont les formes géométriques des molécules et le type de liaison entre leurs atomes.
Un atome plus électronégatif va attirer la paire d'électrons de la liaison vers lui, devenant ainsi partiellement chargé négativement, laissant le second atome partiellement chargé positivement. On dit que cela a formé une liaison polaire et que la molécule contient un moment dipolaire.
Qu'est-ce qu'un dipôle électrique ?
Un dipôle électrique est un couple de charges opposées \( +q \) et \( -q \) séparées par une distance \( d \) . Par défaut, la direction des dipôles électriques dans l'espace va toujours de la charge négative \( -q \) à la charge positive \( +q \) .
Le point médian \( +q \) et \( -q \) est appelé centre du dipôle. L'exemple le plus simple d'un dipôle électrique est une paire de charges électriques de signes opposés et de magnitude égale séparées par une distance.
Lorsqu'une espèce possède un dipôle, elle présente une extrémité partielle positive \( ( \delta + ) \) et une extrémité partielle négative \( ( \delta - ) \) . Ces pôles agissent comme ceux d'un aimant et attirent les charges opposées tout en repoussant les charges semblables.
Forces de Van der Waals
Les forces de Van der Waals sont des forces intermoléculaires faibles qui dépendent de la distance entre les atomes ou les molécules. Ces forces résultent des interactions entre les atomes/molécules non chargés.
Les forces de Van der Waals sont essentiellement la poussée/traction causée par ces molécules polaires qui se rapprochent les unes des autres.
Types de forces de Van der Waals
Il existe trois types de forces de Van der Waals avec lesquelles tu dois te familiariser :
- Les interactions dipôle-dipôle ;
- Interactions dipôle induit-dipôle ;
- Forces de dispersion de London (dipôle induit instantané).
Fig 2- Forces de Van der Waals.
Comme je viens de le mentionner, les forces de Van der Waals sont très importantes, et nous pouvons en voir la preuve dans notre vie quotidienne.
L'isobutane a un point d'ébullition plus bas que le butane, car l'isobutane est ramifié, alors que le butane ne l'est pas.
Les geckos et les araignées ont sur leurs pattes de petites soies semblables à des poils qu'ils utilisent pour se coller à des surfaces lisses et même pour se mettre à l'envers ! Cela est dû aux forces d'attraction de van der Waals entre ces poils et les surfaces sur lesquelles ils marchent. Les scientifiques ont essayé de reproduire ce phénomène en fabriquant du "Geckskin" qui utilise également ces forces. Bien que les tests soient toujours en cours, nous pourrions un jour avoir un véritable Spider-Man !
Autre exemple : les forces de Van der Waals sont celles qui maintiennent ensemble les "barreaux" de l'échelle de \( l'ADN \) . Sans ces forces, \( l'ADN \) n'aurait pas la stabilité nécessaire et serait enclin à se désagréger, ce qui serait un gros problème pour nous !
Qu'est-ce que la modélisation moléculaire ?
La modélisation moléculaire est une combinaison de techniques bio-informatiques et biophysiques permettant de représenter et de visualiser les formes des molécules dans l'espace et de simuler la façon dont elles se déplacent et se comportent.
Dynamique moléculaire
La dynamique moléculaire \( (DM) \) est une méthode de simulation informatique permettant d'analyser les mouvements physiques des atomes et des molécules. Les atomes et les molécules sont autorisés à interagir pendant une période de temps déterminée, ce qui donne une vue de l'évolution dynamique du système.
Les trajectoires des atomes et des molécules sont déterminées en résolvant numériquement les équations du mouvement de Newton pour un système de particules en interaction, où les forces entre les particules et leurs énergies potentielles sont souvent calculées à l'aide de potentiels interatomiques ou de champs de force de mécanique moléculaire. La méthode est principalement appliquée en chimie physique, en science des matériaux et en biophysique.
Structures moléculaires
Théoriquement, la structure moléculaire est déterminée en résolvant l'équation de la mécanique quantique pour le mouvement des électrons dans le champ des noyaux (appelée équation de Schrödinger).
Dans une structure moléculaire, les longueurs et les angles des liaisons sont ceux pour lesquels l'énergie moléculaire est la plus faible. La détermination des structures par la solution numérique de l'équation de Schrödinger est devenue un processus très développé qui nécessite l'utilisation d'ordinateurs et de superordinateurs.
Modèle moléculaire - Points clés
- Les molécules sont les plus petites portions d'une substance qui conserve ses propriétés chimiques et physiques.
- Les liaisons chimiques sont des interactions entre deux ou plusieurs atomes qui conduisent à la formation de composés chimiques.
- Les facteurs qui contribuent à déterminer la polarité des molécules sont les formes géométriques des molécules et le type de liaison entre leurs atomes.
- Un dipôle électrique est un couple de charges opposées \( +q \) et \( -q \) séparées par une distance \( d \) .
- Les forces de Van der Waals résultent des interactions entre les atomes/molécules non chargés.
- La modélisation et la dynamique moléculaire sont des méthodes de simulation informatique permettant d'analyser les mouvements physiques des atomes et des molécules.
- les structures moléculaires sont déterminées en résolvant l'équation de Schrödinger.
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Gabriel Freitas est un ingénieur en intelligence artificielle possédant une solide expérience en développement logiciel, en algorithmes d’apprentissage automatique et en IA générative, notamment dans les applications des grands modèles de langage (LLM). Diplômé en génie électrique de l’Université de São Paulo, il poursuit actuellement une maîtrise en génie informatique à l’Université de Campinas, avec une spécialisation en apprentissage automatique. Gabriel a un solide bagage en ingénierie logicielle et a travaillé sur des projets impliquant la vision par ordinateur, l’IA embarquée et les applications LLM.
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