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3

Liaison hydrogène,

liaison de van der Waals, chimie supramoléculaire PLAN 3.1

Unité et diversité de la chimie

3.2

Liaisons intra- et intermoléculaires

3.3 Classi?cation des interactions intermoléculaires 3.4

La chimie supramoléculaire

OBJECTIFS

Apprendre à distinguer interactions inter- et intramoléculaires. Comprendre l"origine des di?érentes interactions pertinentes en chimie. Classer ces interactions d"après les critères : énergie, spéci?cité, directionnalité, rayon d"action. Comprendre le rôle structurant des interactions intermoléculaires en fonction de la température. 3.1

UNITÉ ET DIVERSITÉ DE LA CHIMIE

Ce titre est emprunté aux cours de science de la vie (unité et diversité du vivant). Comme le monde du vivant, celui de la chimie est basé sur une unité des grands principes fondamentaux, qui se manifeste par une grande diversité de formes et d"organisations. a) Unité de la chimie En effet, toute la chimie (à quelques exceptions près, concernant des domaines très " pointus ») est conséquence d"une seule inter- action physique fondamentale, l"interaction électrostatique. L"expression donnant l"énergie d"interaction entre deux charges ponc- tuelles q

1 et q2 séparées d"une distance r est très simple en principe :

3.4

• La chimie supramoléculaire47

macroscopique : elle peut approcher une autre molécule, presque la toucher (R tend vers 0), mais à ce moment une répulsion forte empêche les deux objets de s"interpénétrer... excepté lorsque l"approche initie une réaction chimique ! 3.4

LA CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE

a) Structuration de la matière à l"échelle de plusieurs molécules À température ambiante, les interactions intermoléculaires se trou- vent dans un intervalle d"énergie compris entre une fraction de kT, et quelques kT. Cela signi?e qu"une seule interaction est facile à briser, prise individuellement, mais que l"effet coopératif de plusieurs interac tions aboutit à un assemblage assez solide. Cette situation fait penser à des dispositifs bien connus dans la vie courante : les bandes Velcro et les Post-it

Le rêve d"une biochimie alternative

Jean-Marie Lehn, Prix Nobel de chimie en 1989 pour ses travaux précurseurs en chimie supramoléculaire, présente souvent un programme à très long terme pour la chimie du xxi e siècle sous forme d"un diagramme bidimensionnel portant sur un de ses axes la complexité et la spéci?cité des assemblages, sur l"autre la diversité chimique. Sur ce diagramme, la biochimie occupe la zone correspondant à une complexité élevée, mais à une diver sité chimique faible puisqu"elle est presque entièrement basée sur la chimie du carbone. La chimie inorganique se trouve à l"opposé puisqu"elle utilise la diversité entière du tableau pério dique, mais jusqu"à présent n"atteint que de faibles niveaux de complexité. Peut-être pourra-t-on un jour fabriquer des molécules aussi complexes que les protéines ou l"ARN, et les assembler en structures supramoléculaires, en utilisant toutes les possibilités offertes par les éléments du tableau périodique ? On peut l"espérer au vu de certains résultats préliminaires, comme la découverte par Achim Müller de la " grande roue », un composé oxydé du molybdène comportant plusieurs centaines d"atomes, dont la structure toroïdale (en forme de pneu ou de beignet avec une cavité centrale) donne lieu à une chimie supramoléculaire très spéci?que.

Table des matières

TaLes atomes et le tableau périodique 1

TbT

Structure atomique 1

Tbl Approximation orbitalaire et con?gurations électroniques 6 Tbe

La classi?cation périodique 11

Tb

Évolution des propriétés atomiques 13

Points-clés

18

Exercices

19

Solutions

19 laLes liaisons covalentes et les liaisons ioniques 22 lbT

La liaison covalente : modèle de Lewis 22

lbl

La liaison covalente : modèle des orbitales

moléculaires (OM) 26
lbe

La liaison ionique 32

Points-clés

33

Exercices

34

Solutions

34
eaLiaison hydrogène, liaison de van der Waals, chimie supramoléculaire 37
ebT

Unité et diversité de la chimie 37

ebl

Liaisons intra- et intermoléculaires 39

ebe Classi?cation des interactions intermoléculaires 41 eb

La chimie supramoléculaire 47

Points-clés

49

VITable des matières

Exercices

50

Solutions

50
leLa spéciation des éléments 52 lsL

Composantes, espèces, spéciation 52

ls

Rappels de thermodynamique chimique 53

lsé

Spéciation acide, spéciation redox 54

lsl

Diagrammes potentiel-pH 60

lsm

Le diagramme de Frost 65

Points-clés

68

Exercices

69

Solutions

71
meLa cristallochimie : les notions fondamentales 73 msL L"état cristallin - nœuds, réseaux, mailles 73 ms

Description du réseau 74

msé

Description de la maille 77

msl Étude expérimentale des cristaux : la di?raction 79 msm

La liaison dans les cristaux 79

Points-clés

82

Exercices

83

Solutions

84
neLa cristallochimie : structures métalliques simples 87 nsL

Le modèle des sphères dures 87

ns

Les empilements compacts 88

nsé

L"empilement hexagonal compact 90

nsl L"empilement compact cubique à faces centrées 93 nsm

Un empilement non compact : cubique centré 96

Table des matières:ww

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SL"azote et le phosphore 170

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