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Molécule

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Pour les articles homonymes, voirMolécule (homonymie).

Modèle en 3 dimensions d'une molécule desaccharose.
Schéma de laliaison covalentede deuxatomesd'oxygène.

Unemoléculeest une structure de base de lamatièreappartenant à la famille descomposés covalents.L'Union internationale de chimie pure et appliquéedéfinit la molécule comme« une entité électriquement neutre comprenant plus d'unatome»[1].C'est l'assemblagechimiqueélectriquement neutre d'au moins deux atomes, différents ou non, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les propriétés caractéristiques de lasubstanceconsidérée. 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 lesliaisons hydrogèneet celles de typevan der Waals,les maintiennent à proximité les unes des autres à l'étatliquideet/ousolide.

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 appeléeréaction chimique.En revanche, les atomes qui la constituent sont des assemblages (departicules) beaucoup plus stables, qui se conservent durant une réaction chimique car la transformation d'atomes, appeléetransmutation,nécessite des apports d'énergie beaucoup plus importants faisant l'objet desréactions nucléaires.

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

Histoire

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Article détaillé:Historique du concept de molécule.

Le nom « molécule » provient du latin scientifiquemolecula,diminutif du nom latinmoles,se traduisant par « masse ».

Le concept de molécule, sous sa forme actuelle, a été présenté la première fois en1811parAvogadro,qui a su surmonter la confusion faite à cette époque entre atomes et molécules, en raison des lois des proportions définies et multiples deJohn Dalton(1803-1808).

L'analyse d'Avogadro a été acceptée par beaucoup dechimistes,à des exceptions notables (Boltzmann,Maxwell,Gibbs). Mais l'existence des molécules est restée en discussion ouverte dans la communauté scientifique jusqu'au travail deJean Perrin(1911) qui a alors confirmé expérimentalement l'explication théorique dumouvement brownienen termes d'atomes proposée parEinstein(1905). Jean Perrin a également recalculé lenombre d'Avogadropar plusieurs méthodes.

Types particuliers de molécules

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Dipôle de la molécule d'eau.
  • L'étude descomposésbiochimiquesa conduit les chimistes à distinguer lesmolécules organiquesetinorganiques.En 2011, il existe près de 10 millions decomposés organiquesconnus (composés dont un deséléments chimiquesconstitutifs est lecarbone), soit plus de 25 fois le nombre demolécules inorganiques[2].
  • Une molécule élémentaire ouhomonucléaireest une molécule constituée d'un seul type d'atomes, par exemple ledioxygène(O2). Lorsqu’une molécule est composée de plusieurs types d’atomes, elle est dite hétéronucléaire.
  • Une moléculepolaireou apolaire est respectivement une molécule ayant unmoment dipolairerésultant non nul (cas de lamolécule d'eau) ou nul.
  • Une moléculehydrophileouhydrophobeest une molécule qui a de l'affinité pour l'eauou qui fuit l'eau (non soluble ou non miscible avec l'eau), respectivement; comme l'acide oléique,molécule hydrophobe qui fuit donc l'eau.
  • Une moléculeamphiphileest une molécule ayant une ou plusieurs parties hydrophiles et une ou plusieurs parties hydrophobes.
  • En appliquant strictement la définition, lesionspolyatomiques ne sont pas des molécules. En revanche, leszwitterions,globalement neutres mais possédant des charges de signe opposé dans différentes parties de leur structure, sont des molécules.
  • Une molécule marquée est une molécule dans laquelle un ou plusieurs atomes sont remplacés par un de leursisotopes.Cette pratique est courante avec des isotopes radioactifs, dans un but médical.
  • Une molécule activée (ou excitée) est une molécule qui contient un ou plusieurs atomesexcités,atomes dont un ou plusieursélectronsse trouvent à desniveaux d'énergieplus élevés que celui de l'état fondamental.
  • Deux molécules sont ditesisoélectroniquessi elles ont la mêmeconfiguration électroniquede valence.
  • Molécule médicamenteuse: on appelle abusivementmoléculelasubstance actived'unmédicament(par opposition à son nom de marque), quand bien même la substance active est composée de plusieurs espèces chimiques différentes (exemple: cas de lagentamicine). Il est préférable de parler de substance active ou de principe actif.

Caractéristiques

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Ordonnancement

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Les molécules d'un corps sont en agitation permanente (sauf auzéro absolu). Cette agitation, appeléemouvement brownien,a été décrite la première fois parRobert Brownen1821dans les liquides (mais expliquée presque 100 ans plus tard).

  • À l'étatgazeux,les molécules sont très espacées, très agitées, avec des mouvements désordonnés provoqués par les chocs entre elles ou avec les parois (les corps solides avec lesquels elles sont en contact).
  • À l'étatliquide,l'espace entre les molécules est beaucoup plus restreint, et 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.

Latempératured'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, appeléesforces 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'eausont dues pour beaucoup auxliaisons hydrogène.

Stabilité

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Les molécules sont des ensemblesa prioriélectriquement neutres, dans lesquels les atomes sont liés entre eux majoritairement par desliaisons covalentes(il existe de nombreux exemples d'assemblagessupra-moléculairespar liaisons de typevan der Waals,hydrogèneouionique), où apparaissent parfois des dissymétries électroniques pouvant aller jusqu'à donner desionsparsolvatation(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 réactifs, 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 dereprésentation des moléculessont destinés à expliciter les différents sites réactifs; certains enchaînements d'atomes, appelésgroupes fonctionnels,produisent ainsi des similitudes de propriétés, tout particulièrement dans lescomposés organiques.

Macromolécules et polymères

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Les molécules possédant au moins plusieurs dizaines d'atomes sont appeléesmacromoléculesoupolymères.

Exemples:

  • lesprotéines,leslipides,lessucres,les acides nucléiques tels l'ADNet autresbiomoléculesde grandes tailles sont également des macromolécules où la grande variété des liaisons chimiques internes induit une réactivité chimique souvent très sélective jouant un rôle majeur dans l'activité biologique des êtres vivants;
  • lespolyoléfinestelles lepolyéthylène(polymèresynthétique) sont constituées d'enchaînements -C-C-; le nombre d'atomes de carbone des chaînes peut atteindre plusieurs dizaines de milliers (correspondant à undegré de polymérisationélevé), d'où des propriétés physiques particulières.

Corps non moléculaires

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On distingue quatre catégories de substances non moléculaires:

  • lesgaz nobles(à l'étatgazeux,liquideousolide) qui, ayant unecouche de valencesaturée, ne se composent que d'atomes indépendants (ce sont des substances monoatomiques). À l'état condensé (liquide ou solide), la cohésion de l'ensemble est assurée par lesforces de London;
  • lesmétaux(à l'état gazeux, liquide ou solide),pursou enalliage.À l'état condensé (liquide ou solide), les atomes sont liés les uns aux autres par la mise en commun globale et délocalisée d'électrons (liaison métallique), mais sans formation de petits groupes. Les métaux solides forment une structure tridimensionnelle appelée réseau métallique;
  • les composésioniques(ou sels) à l'état solide ou liquide, qui regroupent descationset desanionsc'est-à-dire des éléments portant unechargepositive (cations) ou négative (anions). La cohésion de l'ensemble est assurée par laforce électrostatiquequi attire les ions ayant des charges électriques de signes opposés (liaison ionique). Lorsqu'un ion n'est pas monoatomique mais constitué d'un groupe d'atomes doté d'une charge globale non nulle, on parle d'ion polyatomique(ou moléculaire). Les sels solides forment une structure tridimensionnelle appelée réseau ionique;
  • les réseaux covalents solides, qui sont des composéscovalentsnon moléculaires comme lediamant,legraphite,legraphèneou encore ledioxyde de silicium.Ce sont des structures covalentes géantes, créant un réseau tridimensionnel comparable aux structures des réseaux métalliques ou ioniques.

Dans le milieu interstellaire

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Article détaillé:Liste d'espèces chimiques détectées dans le milieu interstellaire ou circumstellaire.

Dans les régions entre des systèmes solaires, la probabilité de rencontre entre atomes est très faible, mais il existe des assemblages moléculaires, tels que ledihydrogène,lemonoxyde de carboneou encore certainsfullerènes.Les comètes et les atmosphères gazeuses des planètes contiennent une plus grande variété de molécules.

Niveau moléculaire

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La structure desorganismesbiologiques qui constituent labiosphèrepeut être décomposée en plusieurs niveaux d'organisation:atomique,moléculaire,cellulaire,tissulaire,organique,dessystèmes nerveux,et enfin celui de l'organisme dans sa totalité fonctionnelle.

L'étude scientifique du vivant se fait par des recherches sur les éléments de chacun de ces niveaux, puis par la compréhension desinteractionsentre ces différents niveaux (voir l'articleMéthode scientifique).

L'étude du niveau des molécules permet de comprendre le fonctionnement de lacellule,qui est l'unité fonctionnelle élémentaire du vivant.

Notes et références

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  1. ↑(en)Entrée«molecule»,(DOI10.1351/goldbook.M04002),d'aprèsIUPAC(compilé par Alan D. McNaught et Andrew Wilkinson),Compendium of chemical terminology: IUPAC recommendations(the Gold Book)[« Compendium de terminologie chimique: recommandations IUPAC »], Oxford,Blackwell science,(réimpr.2000),2eéd.(1reéd.1987),VIII-450p.,28cm(ISBN0-8654268-4-8et978-0-8654268-4-9).
  2. ↑(en)Raymond L. Neubauer,Evolution and the Emergent Self: The Rise of Complexity and Behavioral Versatility in Nature,Columbia University Press,(lire en ligne),p.259.

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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