Molécule - Définition

Introduction

Représentation schématique 3D d'une molécule de saccharose

Schéma de la liaison covalente de deux atomes d'oxygène

Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les propriétés caractéristiques de la substance considérée. Les molécules constituent des agrégats atomiques liés par des forces de valence (liaisons covalentes) et elles conservent leur individualité physique. Des forces plus faibles, telles les liaisons hydrogène et celles de type Van der Waals, les maintiennent à proximité les unes des autres à l'état liquide et solide.

L'assemblage d'atomes constituant une molécule n'est pas définitif, il est susceptible de subir des modifications, c’est-à-dire de se transformer en une ou plusieurs autres molécules ; une telle transformation est appelée réaction chimique. En revanche, les atomes qui la constituent sont des assemblages (de particules) beaucoup plus stables, qui se conservent durant une réaction chimique car la transformation d'atomes, appelée transmutation, nécessite des apports d'énergie beaucoup plus importants faisant l'objet des réactions nucléaires.

La composition chimique d'une molécule est donnée par sa formule chimique. Exemples :

• la molécule de méthane CH₄ est constituée d'un atome de carbone (C) et de quatre atomes d'hydrogène (H) ;
• la molécule de dioxygène O₂ est constituée de deux atomes d'oxygène (O).

Histoire du concept et étymologie

Le nom « molécule » provient du latin scientifique molecula, diminutif du nom latin moles, se traduisant par « masse ».

Le concept de molécule a été présenté la première fois en 1811 par Amedeo Avogadro, qui a su surmonter la confusion faite à cette époque entre atomes et molécules, en raison des lois des proportions définies et multiples de John Dalton (1803-1808).

L'analyse d'Avogadro a été acceptée par beaucoup de chimistes, à des exceptions notables (Boltzmann, Maxwell, Gibbs). Mais l'existence des molécules est restée en discussion ouverte dans la communauté scientifique jusqu'au travail de Jean Perrin (1911) qui a alors confirmé expérimentalement l'explication théorique du mouvement brownien en termes d'atomes proposée par Albert Einstein (1905). Jean Perrin a également recalculé le nombre d'Avogadro par plusieurs méthodes.

Caractéristiques

Ordonnancement

Les molécules d'un corps sont en agitation permanente (sauf au zéro absolu). Cette agitation, appelée mouvement brownien, a été décrite la première fois par Robert Brown en 1821 dans les liquides (mais expliquée presque 100 ans plus tard).

• À l'état gazeux, les molécules sont très espacées, très agitées, avec des mouvements désordonnés provoqués par les chocs entre elles ou avec les corps solides avec lesquelles elles sont en contact (parois).

• À l'état liquide, l'espace entre les molécules est beaucoup plus restreint, l'agitation beaucoup plus lente.

• À l'état solide, les molécules sont rangées selon un empilement, régulier ou non, et vibrent autour d'une position moyenne.

La température d'un corps donne une indication du degré d'agitation des molécules.

Les forces d'interaction de très faible intensité qui s'exercent à distance entre les molécules, appelées forces de van der Waals, conditionnent ces arrangements et par conséquent les propriétés physiques des composés moléculaires.
Ainsi, par exemple, les propriétés physiques exceptionnelles de l'eau sont dues pour beaucoup aux liaisons hydrogène.

Stabilité

Les molécules sont des ensembles a priori électriquement neutres, dans lesquels les atomes sont liés entre eux majoritairement par des liaisons covalentes (il existe de nombreux exemples d'assemblages supra-moléculaires par liaisons de type Van der Waals, hydrogène ou ionique), où apparaissent parfois des dissymétries électroniques pouvant aller jusqu'à donner des ions par solvatation (solvants polaires). Dès lors, on doit conclure que le dihydrogène (H₂), le dichlore, le difluor et tant d'autres gaz diatomiques, sont électriquement neutres. Ce qui laisse entendre que lorsqu'ils sont isolés, ils sont zérovalents, pour respecter l'équivalence qu'il doit y avoir dans toute équation équilibrée en charges et globalement neutre comme : 2 H₂ + O₂ = 2H₂O. Ici, dans la partie des réactants, le dihydrogène et le dioxygène sont des molécules isolées et donc n'ont pas de charge propre, comme H₂O (bien que molécule polaire). L'équation chimique vérifie donc la neutralité de la charge globale.

La forme et la taille d'une molécule (ou de l'une de ses parties) peut jouer un rôle dans son aptitude à réagir. La présence de certains atomes ou groupes d'atomes à l'intérieur d'une molécule joue un rôle majeur dans sa capacité à se rompre ou à fixer d'autres atomes issus d'autres corps, c’est-à-dire à se transformer pour donner naissance à d'autres molécules.

Les différents modes de représentation des molécules sont destinés à expliciter les différents sites réactifs ; certains enchaînements d'atomes, appelés groupes fonctionnels, produisent ainsi des similitudes de propriétés, tout particulièrement dans les composés organiques.

Les macromolécules et polymères

Les molécules possédant au moins plusieurs dizaines d'atomes sont appelées macromolécules ou polymères.

Exemples :

• les protéines, les lipides, les sucres, les acides nucléiques tels l'ADN et autres biomolécules de grandes tailles sont également des macromolécules où la grande variété des liaisons chimiques internes induisent une réactivité chimique souvent très sélective jouant un rôle majeur dans l'activité biologique des êtres vivants ;
• les polyoléfines telles le polyéthylène (polymère synthétique) sont constituées d'enchaînements -C-C- ; le nombre d'atomes de carbone des chaînes peut atteindre plusieurs dizaines de milliers (correspondant à un degré de polymérisation élevé), d'où des propriétés physiques particulières.