Les molécules

Tout ce qui nous entoure est composé de molécules (ou d'atomes isolés dans le cas des gaz nobles). Les molécules sont au coeur de la chimie. Les réactions chimiques impliquent la rupture et la formation de liaisons entre les atomes pour créer de nouvelles molécules. Les molécules jouent un rôle crucial dans l'environnement (eau, air, pollution, cycles biogéochimiques). 

L'écriture des molécules.
Il existe plusieurs formulations, plusieurs façons d'exprimer la composition d'une molécule en fonction des éléments qui la composent. La plus simple consiste à accoler les symboles de chaque élément présent dans la molécule en précisant pour chacun d'eux le nombres d'atomes impliquées en indice. Par exemple; la molécule de dioxygène, composée de deux atomes d'oxygène  (symbole : O) liés, s'écrira O2. La molécule d'eau qui est composée de deux aomes d'hydrogène (symbole : H) liés à un atome d'oxygène s'écrira H2O. Lorsqu'on veut parler de n atomes ou n molécules qui ne sont pas liés - ce qui arrive lorsqu'on étudie les réactions chimiques - on fait précéder le symbole de l'élément ou celui de la molécule du nombre n. Par exemple, 2O correspond à deux atomes d'oxygène non liés (ce qui est donc différent de O2); de la même façon 3H2O signifie trois molécules d'eau.

Liaisons chimiques
Une liaison chimique c'est ce qui maintient les molécules ensemble. On distingue : 

• Les liaisons covalentes correspondent à un partage d'électrons entre les atomes. Ce sont des liaisons fortes et directionnelles. Elles peuvent être simples, doubles ou triples selon le nombre de paires d'électrons partagées. Ex: Liaison dans H2O, CH4, O3.

• Les liaisons ioniques résultent d'un transfert d'électrons d'un atome à un autre, créant des ions (atomes chargés). L'attraction électrostatique entre les ions de charges opposées forme la liaison ionique. Ex : liaison dans NaCl (sel de table).

• Les liaisons métalliques sont caractéristiques des métaux. Les électrons sont délocalisés et forment un "nuage" d'électrons autour des noyaux atomiques, permettant une bonne conductivité électrique et thermique.

Les réactions chimiques.
Une réaction chimique est un processus qui implique la transformation de substances chimiques appelées réactifs en de nouvelles substances chimiques appelées produits. Cette transformation se fait par la rupture et la formation de liaisons chimiques entre les atomes composant les molécules impliquées.Les molécules sont les réactifs qui entrent en jeu au début d'une réaction chimique. Ce sont les molécules de départ. Les molécules sont également les produits qui sont formés à la fin d'une réaction chimique. Ce sont les molécules résultantes. 

Exemple. - Dans la combustion du méthane (CH4), le méthane et l'oxygène (O2) sont les réactifs (molécules de départ). Le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau (H2O) sont les produits (molécules formées). On peut écrire cette réaction chimique ainsi :

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Un principe fondamental des réactions chimiques est la conservation des atomes. Les atomes ne sont ni créés ni détruits lors d'une réaction chimique. Ils sont simplement réarrangés. Cela signifie que le nombre et le type d'atomes présents dans les réactifs sont identiques au nombre et au type d'atomes présents dans les produits. Seule leur organisation moléculaire change. L'équilibrage des équations chimiques repose sur ce principe de conservation des atomes.  (C'est pourquoi dans l'exemple précédent nous n'ayons pas écrit : CH4 + O2 → CO2 + H2O ; pour que la réaction soit équilibrée, il fallait 2 molécules de dioxygène pour une molécule de méthane, et deux molécules d'eau devaient être produites pour une molécule de dioxyde de carbone).

La plupart des réactions chimiques impliquent un changement d'énergie. Les réactions exothermiques libèrent de l'énergie, généralement sous forme de chaleur ou de lumière (ex: combustion). L'énergie des produits est inférieure à celle des réactifs. Les réactions endothermiques absorbent de l'énergie (ex: photosynthèse). L'énergie des produits est supérieure à celle des réactifs. L'énergie impliquée dans une réaction chimique est liée à l'énergie nécessaire pour rompre les liaisons et l'énergie libérée lors de la formation de nouvelles liaisons.

Il existe une multitude de types de réactions chimiques impliquant des molécules, classées de différentes manières. Mentionnons seulement :

• Les réactions de synthèse (combinaison de molécules pour en former de plus complexes)

•  Les réactions de décomposition (rupture de molécules complexes en molécules plus simples)

• Les réactions de substitution (remplacement d'un atome ou groupe d'atomes dans une molécule par un autre)

• Les réactions d'addition (ajout d'atomes ou de groupes d'atomes à une molécule insaturée)

• Les réactions d'oxydo-réduction (transfert d'électrons entre molécules)

La distribution inégale de la densité électronique dans une molécule définit sa polarité. Une molécule peut être polaire (avec un dipôle, une partie légèrement positive et une partie légèrement négative) ou non polaire. La polarité influence la solubilité, les interactions intermoléculaires, etc. Les molécules polaires se dissolvent dans les solvants polaires, et les molécules non polaires dans les solvants non polaires.

Les molécules déterminent les propriétés macroscopiques de la matière. Les différents états de la matière (solide, liquide, gaz) dépendent des forces intermoléculaires et de l'agitation thermique. Les points de fusion et d'ébullition d'un corps dépendent aussi des liaisons intermoléculaires.

On appelle masse moléculaire la somme des masses atomiques de tous les atomes dans une molécule. Elle est mesurée en unités de masse atomique (uma) ou en grammes par mole (g/mol). La taille moléculaire est la dimension physique de la molécule; elle dépend du nombre d'atomes et de la nature des liaisons entre eux .

Types de molécules.
Les molécules organiques contiennent principalement du carbone et de l'hydrogène, souvent avec d'autres éléments comme l'oxygène, l'azote, le phosphore, le soufre. 

Les biomolécules sont les briques de construction et les acteurs essentiels de tous les processus biologiques. Ce sont des molécules organiques, couramment composées de plusieurs milliers d'atomes. Les quatre principales classes sont  les protéines, qui effectuent de nombreuses fonctions biologiques (enzymes, structure, transport, signalisation), les glucides (hydrates de carbone, sucres), qui sont des sources d'énergie et ont un rôle structural (cellulose); les lipides (graisses), qui sont aussi des réserves d'énergie et se rencontrent dans les membranes cellulaires et les hormones, et les acides nucléiques (ADN, ARN), qui servent au stockage et à la transmission de l'information génétique.