Les réponses aux questions de l'Antiquité (1/3)

Ainsi, avec le temps, l'Eglise s'était progressivement ralliée à l'hypothèse atomique, admettant finalement la discontinuité de la matière à l'échelle miscroscopique, reconnaissant également tout l'intérèt de la théorie quantique dans la compréhension des phénomènes subatomiques. Dans la compréhension des phénomènes moléculaires également. C'est que la dualité onde-corpuscule expliquait fort bien la stabilité des édifices moléculaires, en effet.

Si, depuis 1920, il ne faisait guère plus de doute que les électrons des couches périphériques externes étaient responsables des liaisons chimiques, encore fallait-il décrire le système électronique considéré au moyen d'une fonction d'onde appropriée pour correctement rendre compte de la stabilité de ces liaisons. Ce à quoi s'attelèrent, dans les années 30, Robert Mulliken (1896-1986) et Friedrich Hund (1896-1988). La méthode utilisée, dite méthode des orbitales moléculaires, consiste à associer à chacun des électrons intervenant dans la liaison chimique considérée, une fonction d'onde dite orbitale moléculaire. Cette orbitale moléculaire diffère de l'orbitale atomique classique par son caractère polycentrique, chacun des électrons considérés étant soumis à l'action simultanée de plusieurs noyaux. La première étape consiste donc à déterminer la forme de cette orbitale moléculaire censée accueillir, en vertu du principe d'exclusion de Pauli, tout au plus deux électrons de spins antiparallèles. Par application de l'approximation LCAO (linear combination of atomic orbitals), cette orbitale moléculaire prend la forme d'une combinaison linéaire des orbitales atomiques de chacun des électrons pris séparément. Ce qui, dans le cas de la molécule d'hydrogène H₂ dont la cohésion est assurée par deux électrons, se traduit par l'égalité suivante :

où Y_a et Y_b sont les orbitales atomiques des électrons des atomes A et B pris séparément - les orbitales 1s des atomes d'hydrogène dans leur état fondamental, par exemple. Le terme l² exprime quant à lui la contribution de chaque orbitale atomique à l'orbitale moléculaire - dans le cas d'une molécule homonucléaire telle H₂, l = +/- 1.

Cette orbitale moléculaire dont le carré du module exprime la densité du nuage électronique en un point donné de l'espace doit naturellement ètre solution de l'équation de Schrödinger. D'où il résulte deux niveaux d'énergie permis pour chacun des deux électrons, correspondant chacun à une orbitale moléculaire :

où E₀ désigne l'énergie d'un électron 1s dans un atome d'hydrogène isolé. L'état fondamental de la molécule considérée s'obtient simplement en disposant les deux électrons, de spins nécessairement antiparallèles, sur l'orbitale d'énergie la plus basse (E⁺). Lorsque l'un au moins des deux électrons occupe l'état d'énergie E^-, la molécule est dite au contraire dans l'un de ses états excités.