annexe modèles moléculaires

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L.E.T. La Martinière Diderot
Différents types de modèles moléculaires
Annexe 1 – Différents types de modèles moléculaires
Les modèles moléculaires sont les seuls outils dont nous disposions pour 'voir'
à quoi les molécules 'ressemblent'. Des méthodes physiques indirectes mais très
précises (RMN = Résonance Magnétique Nucléaire, cristallographie et diffraction des
rayons X, spectroscopie etc...), associées à des méthodes de modélisation
moléculaire fournissent habituellement les données numériques permettant de
construire ces modèles.
Les modèles moléculaires ne sont rien d'autre que des représentations
symboliques des molécules. A ce titre, la modélisation moléculaire utilise un
langage de description arbitraire fondé sur des codes de couleurs et de formes
reconnus à l'échelon international.
I - Codes de couleurs
Il y a plusieurs codes de couleurs. Nous utiliserons principalement le code dit
CPK (pour Corey, Pauling et Koltun) qui est résumé dans le tableau ci-dessous :
carbone (C)
gris clair
oxygène (O)
rouge
hydrogène (H) blanc
azote (N)
bleu clair
soufre (S)
jaune
phosphore (P)
orange
Le code de couleurs CPK
Il existe plusieurs sortes de modèles moléculaires. Ils sont utilisés par les
logiciels de visualisation moléculaire et/ou les boîtes de modèles moléculaires :
II – Les différents types de modèle
Wireframe
Les atomes sont représentés par des points joints par des lignes colorées qui
simulent les liaisons. Ce mode de représentation est très simple et ressemble à une
formule chimique en trois dimensions (sans les symboles). Cette représentation n’est
utilisée que par les logiciels. Du fait de sa simplicité, elle économise la mémoire et
les ressources vidéo de l'ordinateur et accélère l'affichage à l'écran. Toutefois, sa
lisibilité diminue avec la taille des molécules
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Différents types de modèles moléculaires
Stick (ou bâtons)
C'est une version plus "consistante" du mode Wireframe où les liaisons sont
indiquées par des bâtons ("sticks" en anglais) colorés ou des cylindres au lieu de
lignes. Ce mode, introduit par Dreiding, est surtout utile quand on veut mettre en
évidence la géométrie d'un réseau de liaisons. Il existe également en version
plastique ou métallique.
Ball and stick (boules et bâtons, appelé aussi modèle éclaté)
Dans ce mode, chaque atome est figuré par une sphère de diamètre arbitraire. Les
couleurs obéissent au code CPK déjà décrit. Les liaisons sont représentées par des
bâtons de mêmes couleurs que les atomes correspondants. Cette manière de
représenter les molécules est surtout utile pour montrer leur composition atomique
globale car elle met bien en évidence le codage des couleurs. C'est aussi le standard
utilisé par les modèles en bois ou en plastique utilisés en chimie dans les lycées et
collèges.
Compact (compact)
Ces modèles, introduits par Corey, Pauling et Koltun, sont également connus sous le
nom de CPK (d'après les initiales des inventeurs). Cette représentation est
particulièrement utile pour montrer les volumes et les formes.
Ils utilisent simultanément les rayons de Van der Waals Rvdw (représentant
« l’encombrement spatial » du nuage électronique de l’atome) et les rayons de
covalence Rcov (représentant la distance internucléaire entre deux atomes liés). En
effet, on bâtit en premier lieu pour chaque atome une sphère dure de rayon égal à
Rvdw, puis on tronque ces sphères par des plans dont la distance au centre est égale
à Rcov. Les sphères s’emboîtent ensuite plan contre plan. Ainsi, la distance entre
deux atomes liés est bien la somme des rayons covalents, tandis qu’on a bien une
estimation du volume réel de l’ensemble.
Les angles de liaison correspondent aux angles idéaux prévus par la théorie
VSEPR ; par exemple, la molécule d’eau H2O correspond en première approximation
à un oxygène tétragonal.
Rvdw
Rcov
a)
b)
a) Troncature de l’atome d’oxygène dans un modèle moléculaire compact
b) Modèle moléculiare compact de la molécule d’eau.
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III – Les boîtes de modèles moléculaires « matériels »
Une boîte de modèles moléculaires contient généralement différentes sortes de
boules pour un même atome.
Exemple : la géométrie autour d’un atome de carbone entouré de 4 liaisons
covalentes peut-être :
- Tétraédrique : le carbone se trouve au centre d’un tétraèdre (c’est un carbone
tétragonal) ; le carbone possède alors 4 liaisons simples ;
- Triangulaire : le carbone se trouve au centre d’un triangle (c’est un carbone
trigonal) ; il possède alors 1 liaison double et 2 liaisons simples ;
- Linéaire : la géométrie autour du carbone est linéaire (c’est un carbone
digonal) ; il possède alors 1 liaison triple et 1 liaison simple.
Pour représenter un atome de carbone, 3 sortes de boules peuvent exister : elles
sont toutes noires, mais elles diffèrent en fonction de la géométrie du carbone (et
donc en fonction de la multiplicité des liaisons qui entourent le carbone.
Pour savoir quelle boule choisir, il faut d’abord connaître la multiplicité des liaisons
autour du carbone (soit la structure de Lewis de la molécule). Les notices
accompagnant les boîtes de modèles indiquent ensuite le type de boule à choisir.
Il en est de même pour les atomes autres que le carbone.
Pour auto-évaluer ses connaissances des modèles moléculaires (niveau basique) :
http://www.discip.crdp.ac-caen.fr/phch/college/quatrieme/exos_interactifs/C3AtomeMolecule/Atome/Atome.htm (couleur et symbole des éléments)
http://www.discip.crdp.ac-caen.fr/phch/college/quatrieme/exos_interactifs/C3AtomeMolecule/Molecule/Molecule.htm (modèles moléculaires, formules brutes et
nomenclature de molécules simples)
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