Sciences & Techniques: Qu'est-ce qu'une réaction chimique ?

« Sciences & Techniques: Qu'est-ce qu'une réaction chimique ? Tous les chimistes savent ce que c'est que la chimie, mais aucun d'entre eux ne sait ce qu'est vraiment une réaction chimique. Si l'on prend la réaction la plus simple qu'on puisse imaginer : H + H2 ‡ H2 + H dite réaction d'échange d'hydrogène, ou un atome d'hydrogène remplace un autre atome d'hydrogène dans une molécule d'hydrogène diatomique, il se trouve que l'atome d'hydrogène h et la molécule d'hydrogène H2 se combinent pour former une molécule de transition H3.

Celle-ci réarrange alors ses liaisons pour former une nouvelle molécule d'hydrogène H2 et un atome d'hydrogène H.

On voudrait bien savoir ce qui se passe dans la molécule de transition H3; mais elle ne dure que quelques femtosecondes, et ce n'est pas non plus une molécule isolée qu'on puisse étudier à loisir. Il faut donc recourir à la physique pour imaginer ce qui se passe.

Étant donné que l'atome d'hydrogène est le plus simple du monde, puisqu'il n'est constitué que d'un proton et d'un électron, on peut induire qu' H3 est constitué de trois protons et de trois électrons.

De là, il faut sauter à la mécanique quantique : étant donné qu'un proton est 2 000 fois plus lourd qu'un électron, il se meut plus lentement et les trois protons d' H3 vont donc moins vite que les trois électrons, qui doivent réorganiser leur structure très vite afin de se maintenir à l'orbite la moins énergétique possible.

Parce que chaque arrangement d'électrons dans une molécule implique un potentiel d'énergie de surface distinct, puisque ce sont les électrons qui cimentent cette molécule par leur énergie et que cette énergie dépend de la disposition dans l'espace et de leur moment angulaire ou spin. Jusqu'ici, on est demeuré dans le champ de la physique classique ; mais quand on tient compte du principe de la mécanique quantique selon lequel les énergies des atomes ne varient pas de manière continue, progressive, mais discontinue, par sauts, et qu'ils suivent des stades d'énergie dits quanta, on est contraint de postuler que les protons et les électrons suivent un scénario particulier. Celui-ci a été expliqué par le physicien Jim Baggott dans l'hebdomadaire britannique New Scientist du 12 mai dernier : le niveau énergétique change quand les deux atomes de la molécule s'approchent ; il tombe d'abord à un seuil minimal quand les atomes se rapprochent, puis il augmente par suite de l'effet de répulsion entre les protons qui sont tous deux positifs ; puis il atteint un plateau quand les nouvelles liaisons se forment. Jusqu'ici, c'est encore assez simple ; mais cela se complique quand on sait que chaque molécule vibre. Sa vibration engendre des niveaux d'énergie discrets, chaque niveau correspondant à un taux d'excitation dans lequel le noyau oscille à des états d'énergie voisins dont la moyenne est constituée par son niveau moyen le plus bas ; chaque niveau est défini par un nombre quantique vibratoire, v .

De plus, chaque niveau est assorti d'une série de niveaux strictement espacés, qui résultent du fait que la molécule d' H3 tourne dans l'espace ; chacun de ces niveaux secondaires répond à un nombre quantique de rotation, j . Ces nombres v et j définissent l'état quantique de la molécule.

Et il n'est pas possible d'imaginer ce qu'est une réaction chimique sans en tenir compte. C'est à peu près le problème qui se pose dans une réaction plus complexe, celle qui se produit quand on chauffe une molécule organique qui est le 2,3 diazabicyclo (2.2.1) hept-2-ène exo-exo 5 - d2.

Elle perd son azote et se transforme en deux molécules presque identiques.

Elle ne peut le faire, qu'en franchissant une barrière énergétique.

Quand on l'a chauffée en effet, elle a gagné de l'énergie, elle a donc passé la barrière et elle a atteint, elle aussi, un état de transition.

Or, cet état est aléatoire, en ce sens qu'il peut produire l'une ou l'autre de deux réactions voisines.

Telle est la raison pour laquelle, de temps en temps, le diazabicyclo chauffé produit des molécules différentes de la moyenne, comme l'a observé le chimiste Barry Carpenter, de l'université Cornell, à Ithaca La prévision des " aberrations " peut se faire de manière statistique.

Mais en répétant ses expériences dans des conditions différentes, Carpenter a constaté que la méthode statistique n'est pas fiable dans l'explication des réactions chimiques, il faut alors recourir à la méthode quantique.

" Mais là, il faudrait aussi occuper tous les ordinateurs du globe pendant toute une vie pour arriver à une réponse. " Si l'on veut donc " coller " un chimiste, il faut lui demander ce qu'est au juste une réaction chimique.... »