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À première vue, la théorie de la liaison chimique semble un bel exercice consacré à cette construction de modèle. Nous avons l’équation de Schrödinger. Nous pouvons la résoudre pour l’atome H. Nous rencontrons alors de grandes, grandes difficultés, pour obtenir des solutions pour les atomes comportant plusieurs électrons, sans parler des molécules. Est-ce pour autant que nous baissons les bras ? Certes non; nous négligeons l’interaction électron/électron et nous construisons une théorie monoélectronique des molécules, utilisant les orbitales atomiques. Puis, nous commençons à réintroduire ce que nous avons laissé en route.
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Le modèle de Bohr des hydrogénoïdes
En reprenant le modèle planétaire et en ajoutant deux hypothèses supplémentaires, N. Bohr a construit un modèle d’atome stable valable pour les hydrogénoïdes, c’est-àdire les atomes ou ions à un seul électron (H, He1, Li21, Be31, ...). L’idée de Bohr est que l’atome planétaire ne peut effectivement pas exister, sauf lorsque l’électron suit certaines orbites particulières sur lesquelles il ne rayonne pas, donc sur lesquelles la théorie électromagnétique est en défaut.
Insuffisance du modèle de Bohr
Malgré l’arbitraire de ses deux hypothèses de quantification, le modèle de Bohr connut à l’époque un grand succès, car lui seul permettait de calculer la constante de Rydberg et de retrouver les raies d’émission des hydrogénoïdes. Par ailleurs, ce modèle, ainsi que l’intervention de la constante de Planck dans d’autres explications théoriques
La notion d’Orbitales de Symétrie dans le cas d’une molécule carrée
Les molécules présentant un atome central et quatre substituants situés aux sommets d’un carré ne sont pas connues en chimie du carbone, le carbone tétrasubstitué étant tétraédrique, comme par exemple dans CH4. Par contre, les molécules plates, appartenant à la géométrie appelée « plan-carré » sont très nombreuses dans les composés organométalliques.
À titre d’exemple, les porphyrines du fer jouent un rôle considérable dans l’économie du vivant car tous les animaux à sang « rouge » respirent par leur intermédiaire. La partie centrale du cytochrome P450, composant de l’hémoglobine, comporte un atome de fer entouré par quatre groupe azotés, comme le montre le schéma simplifié de la figure 2.23, où les substituants des cycles ne sont pas reportés.
À première vue, la théorie de la liaison chimique semble un bel exercice consacré à cette construction de modèle. Nous avons l’équation de Schrödinger. Nous pouvons la résoudre pour l’atome H. Nous rencontrons alors de grandes, grandes difficultés, pour obtenir des solutions pour les atomes comportant plusieurs électrons, sans parler des molécules. Est-ce pour autant que nous baissons les bras ? Certes non; nous négligeons l’interaction électron/électron et nous construisons une théorie monoélectronique des molécules, utilisant les orbitales atomiques. Puis, nous commençons à réintroduire ce que nous avons laissé en route.
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Notion de symétrie locale
De très nombreuses molécules possèdent des éléments de symétrie spatiale tels que des axes de rotation, des plans de symétrie, un centre d’inversion, etc. en étroite relation avec la structure géométrique de l’ensemble d’atomes considérés. Nous allons nous servir de ces éléments pour bâtir des déterminants séculaires et montrer que leur solution dépend étroitement de la symétrie du système considéré.
Généralisation des résultats empiriques précédents
Afin de ne pas alourdir l’exposé de cette partie, nous allons dans cette généralisation qui revêt la plus grande importance pour la suite de nos discussions accepter sans démonstration des résultats dont nous n’avons examiné qu’une approche qualitative très élémentaire. Seule la théorie des groupes permet de les justifier d’une manière très élégante et définitive. Nous en donnons un peu plus loin un aperçu qualitatif destiné à nous familiariser avec ses applications les plus simples.
Critique du modèle planétaire
Malheureusement, le modèle planétaire est théoriquement impossible. Selon la théorie de l’électromagnétisme, les électrons qui décrivent des orbites, étant des particules chargées accélérées (car ils suivent une trajectoire non rectiligne), devraient constamment émettre un rayonnement de fréquence égale à la fréquence de rotation autour du noyau, perdant ainsi de l’énergie