La logique de la chimie : une histoire d'électrons
C'est au début du XXème siècle que les scientifiques ont constaté que l'électron avait une place prédominante dans la chimie. Gilbert Lewis proposa dès 1916 un modèle d'une rare simplicité décrivant un mode de représentation des molécules. Pour ceci, il postula (sans que rien pour l'époque ne puisse le justifier) que la liaison chimique résultait de la mise en commun de deux électrons.
La notion de valence prenait alors une autre signification : c'était devenu le nombre d'électrons seuls, non appariés, situés sur la périphérie de l'atome.
Dès lors la chimie allait devenir l'univers des déplacements d'électrons.
Réactions chimiques et électrons
Si les liaisons entre atomes sont faites de doublets d'électrons, et qu'une réaction chimique casse les molécules et recombine les atomes, c'est que les réactions chimiques sont des phénomènes purement électroniques. Ce raisonnement trivial va être à la base de toute la chimie du XXème siècle, et est encore utilisée aujourd'hui dans la plupart des cas (la chimie quantique viendra un peu "perturber" cette mécanique bien huilée par Lewis et ses successeurs, mais elle ne viendra la compléter que dans quelques cas particuliers). Le modèle de Lewis reste la référence en matière de représentation à la fois des atomes, des molécules, mais aussi des réactions et des mécanismes réactionnels en chimie.
Il est néanmoins certains que seul une description quantique de la molécule permet une approche presque satisfaisante des phénomènes chimiques.
La logique de la chimie
La logique de la chimie devient alors flagrante lorsque les phénomènes deviennent compréhensibles et interprétables. Nous venons de voir qu'une réaction chimique implique des déplacements d'électrons, les électrons périphériques des atomes. Il restera maintenant qu'à découvrir les différents types de réactions chimiques qui existent, puis ensuite d'apprendre à les interpréter.
Les grands types de réactions sont :
- les réactions d'oxydo-rédution : échange d'électrons e-,
- les réactions acido-basiques : échange de protons H+,
- les réactions de complexation, de précipitation, de substitution : échange de groupements ioniques ou moléculaires,
- les réactions d'élimination : départ de groupements d'une molécule,
- les réactions d'addition : greffe de groupements sur une molécule.
Quant à l'interprétation des phénomènes chimiques, elle repose sur trois aspects que sont les contrôles stériques, de charge et orbitalaire. La maîtrise de ces trois aspects permet dans une large mesure, car elle est difficilement applicable à la chimie du solide apparentée à la physique de la matière condensée, d'expliquer l'ensemble des réactions chimiques de l'univers.
- Le contrôle stérique repose sur l'étude des volumes occupés par les atomes d'une molécule et donc sur l'impossibilité de certaines réactions par manque d'accès au site réactif.
- Le contrôle de charge postule simplement que ce sont les interactions entre des centres actifs de charge (entières ou partielles) opposés qui seront préférentiellement activées.
- Le contrôle orbitalaire vient compléter la triade en disant que ce sont les interactions entre deux orbitales atomiques ou moléculaires (de même signe, d'énergie proche, de même symétrie et d'accès facile) qui seront favorisées, et aboutiront à la création d'une liaison ou amorceront une réaction chimique.
