MOLÉCULE

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On dit souvent qu'une molécule est la plus petite entité d'une substance pouvant exister à l'état libre. En fait, la notion de molécule est bien plus complexe.

Une observation toute banale peut être le point de départ de recherches fructueuses. Il suffit par exemple de regarder un morceau de sucre se dissoudre dans une tasse de thé. On voit de fines traînées se développer à partir du morceau de sucre, se ramifiant, se propageant lentement dans toutes les directions, pour progressivement disparaître, laissant le thé de la tasse d'apparence bien homogène, comme si le morceau de sucre s'était divisé en parcelles extrêmement petites, invisibles pour notre œil. Les anciens Grecs, s'ils ne connaissaient ni le sucre ni le thé, avaient cependant remarqué le même phénomène de dispersion de la matière en versant lentement un filet de vin dans l'eau d'un cratère. L'expérience était d'autant plus frappante que le vin est un liquide coloré. Très vite, ils comprirent que celui-ci était constitué de petites « particules » porteuses des propriétés du vin, qui se dispersaient dans l'eau. Une observation similaire peut être faite lorsqu'on brise un caillou ou un morceau de métal en fragments de plus en plus petits. Mais jusqu'où pouvait aller ce fractionnement ? L'infini était pour les Anciens une notion angoissante, la notion de limite étant inconnue des philosophes de cette époque ; ils en conclurent que le fractionnement devait nécessairement aboutir à des particules de taille très petite, certes, mais finie, au-dessous de laquelle on ne pouvait plus descendre. D'où le nom d'atomes, c'est-à-dire des édifices « insécables », qu'ils donnèrent à ces particules. Aujourd'hui, le mot atome a un autre sens.

En l'absence de connaissances précises sur la structure de la matière, la notion de molécule resta longtemps un concept purement spéculatif. La molécule elle-même, en tant qu'objet physique, fut même contestée au xixe siècle par plusieurs chimistes, considérée tout au plus comme une notion inutile pour expliquer la réactivité chimique. Ce n'est finalement que vers la fin du xixe siècle que, petit à petit, la situation se clarifia avec la théorie cinétique des gaz, la découverte de l'électron et surtout les travaux d'Ernest Rutherford qui montra que la matière était constituée de particules massives de charge positive autour desquelles gravitaient des électrons. Aussi, aujourd'hui, plutôt que d'essayer de définir la molécule en tant que limite ultime d'un fractionnement, il est préférable de suivre un cheminement synthétique tel que nous le permettent les résultats obtenus par la physique des particules, précisément en suivant l'historique de la formation de la matière telle que la cosmologie nous l'enseigne.

Si l'on excepte quelques particules exotiques, comme les neutrinos ou les mésons, toute la diversité que présente la matière dans l'Univers résulte en fait d'associations en proportions convenables de seulement trois éléments de base : d'une part, l'électron, particule très légère de masse m = 9,109  10—28 g et de charge e = —1,602  10—19 coulomb, d'autre part, le proton et le neutron, de masse pratiquement égale (respectivement 1837 et 1838 m), le premier étant porteur d'une charge + e, le second étant neutre. Contrairement à l'électron, le proton et le neutron ne sont pas des particules élémentaires. Ils sont formés de l'union de quarks, qui sont considérés, eux, comme des particules élémentaires. Mais, pour les problèmes qui intéressent le chimiste, la structure interne du proton et du neutron n'intervient pas, de sorte qu'on peut les considérer comme des unités de base au même titre que l'électron.

Après une brève mais tumultueuse période de formation de l'Univers, la température de l'Univers baissant, les protons et les neutrons commencèrent à s'associer pour former des noyaux, objets massifs et de charge positive. D'où le nom de nucléons sous lequel on désigne globalement les protons et les neutrons. C'est la nucléosynthèse qui se poursuit encore de nos jours dans le cœur des étoiles.

Nous n'aborderons pas ici la question de la nature des forces qui assurent la cohésion des noyaux. C'est le domaine de la physique nucléaire (cf. particules élémentaires). Nous ne nous intéresserons qu'aux édifices formés. Nous laisserons aussi de côté le problème de la stabilité des noyaux et, par là même, les phénomènes de radioactivité liés à leur plus ou moins grande instabilité, nous bornant à remarquer que le nombre de sortes de noyaux est limité.

Des noyaux aux molécules

D'une façon générale, on notera (pZnN)+Z un noyau résultant de l'union de Z protons (p) et de N neutrons (n). Sa charge est donc + Z (en unité e), le neutron étant neutre. Si, en première approximation, on néglige les effets relativistes, la masse de ce noyau est de l'ordre de (Z + N) fois la masse d'un nucléon. À une charge + Z correspondent donc plusieurs noyaux de masse différente. On les regroupe sous le nom d'isotopes.

Chargés positivement et de masse très élevée par rapport aux électrons, les noyaux constituent des centres d'attraction pour ces derniers, particules légères, chargées négativement. Il en résulte des édifices stables, les atomes, neutres, si le nombre d'électrons dont s'entoure le noyau est égal à Z, ou des ions, positifs ou négatifs selon que le nombre d'électrons est inférieur ou supérieur à Z. Le plus simple d'entre eux est l'atome d'hydrogène, formé d'un proton et d'un électron. La cohésion de l'ensemble est assurée par des interactions électromagnétiques que la mécanique quantique (cf. physique quantique) permet de traiter quantitativement. Les forces mises en jeu sont bien plus faibles que celles qui interviennent pour assurer la cohésion des noyaux, de sorte que les atomes ne peuvent se former et subsister qu'à des températures bien plus basses que celles à partir desquelles les noyaux sont stables. Disons quelques milliers de degrés.

À des noyaux d'isotopes correspondent naturellement des atomes d'isotopes, donc ne différant entre eux que par la masse de leur noyau. De tels atomes présentent les mêmes caractéristiques électroniques, donc, comme nous verrons, pratiquement les mêmes propriétés chimiques. Par exemple, à l'hydrogène ordinaire correspond le deutérium ou hydrogène lourd, de symbole D, dont le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, soit (p n)+.

Une fois formés, ces atomes, si la température n'est pas trop élevée, vont à leur tour s'associer entre eux pour constituer des édifices plus complexes, les molécules. Par exemple, deux [...]

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  • : professeur émérite à l'université de Provence

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Pour citer l’article

André JULG, « MOLÉCULE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/molecule/