Les atomes ont-ils une forme ?

A une époque où tout se diffuse et se représente, où tout se sait et se met en spectacle, il est curieux que la physique ait abandonné l’idée d’une représentation des phénomènes et objets du réel qu’elle a justement pour mission première d’analyser. Cependant bien que le réel physique se soit dilué dans la formulation mathématique, il est impossible d’en expliquer le fonctionnement sans postuler un modèle visuel qui aide à sa compréhension. Ainsi, représente-t-on l’atome entouré de ses différentes couches d’électrons gravitant librement autour bien que nous sachions qui n’en peut être ainsi, le tableau de Mendeleïev nous indiquant par ailleurs un lien étroit entre un proton et un électron.

Il en va de même pour la représentation des liaisons moléculaires, chaque atome étant dessiné sous forme d’un point plus ou moins volumineux et des traits indiquant les liaisons établis entre eux. L’étude de ces liaisons relèvent des lois et principes de la valence électronique principalement explicables par le modèle de Lewis et complétés par la fonction d’onde de la mécanique quantique. Tout l’édifice moléculaire et partant l’ensemble de l’organisation du minéral et de l’organique, dépend de l’attraction exercée entre deux atomes et de la mise en commun de leurs électrons. L’explication « mécanique » de Lewis (1916) est la suivante : la liaison chimique entre atomes résulte de la mise en commun d'un couple d'électrons fournis par chacun d’eux. Mais Lewis ne proposait à l’appui de son hypothèse aucune interprétation de la cause mécanique de la liaison.

Nous passons sur la difficulté qui consiste à expliquer « comment » 2 électrons qui se repoussent naturellement parviennent à maintenir liés 2 protons pour nous demander « pourquoi » le nombre de liaisons possibles entre atomes ne correspond nullement à leur quantité de protons ( et d électrons) disponibles. Ainsi, le fluor (9 protons /électrons) possède la valence une (une seule liaison) alors même que le carbone (6 électrons) est quadrivalent. L’explication nous est fournit par le « modèle » en couches interne et externe, seul les électrons externes seraient aptes à la liaison covalente. Ce modèle en couches est gouverné par la règle de « l’octet » : une fois la couche saturée aucune liaison moléculaire n’est possible. Cette règle de l’octet conserve son mystère et sa magie : on ne sait pourquoi il en est ainsi, pourquoi il ne peut y avoir de molécule de néon bien que celui-ci dispose de 8 électrons sur sa couche externe.

Le principe de l’octet est d’autant plus fragile qu’il comporte de nombreuses exceptions. Par exemple le Bore,Trivalent peut associer B-H4, l’hydrure de bore mais ne respecte pas la règle puisque ayant seulement 6 électrons sur sa couche de valence au lien de 8. La présence de deux électrons non appariés dans la sous-couche 2p de l’atome de carbone ne permet pas de comprendre sa tétravalence dans le méthane. Pour accorder théorie et fonctionnement expérimental, Linus Pauling imagina « d’hybrider » c’est-à-dire de mélanger les orbitales 2s et 2p assez proches en énergie. Une nouvelle espèce est née les « orbitales atomiques hybrides » de l’atome central. Il faut et il suffit de « hisser » la couche s en p pour donner à ces 4 orbitales les mêmes valeur et fonction. Ce rafistolage théorique ressemble fort aux épicycles de la cosmologie géocentrique de Ptolémée.

Il faut cependant concéder qu’un effort a été tenté pour mettre en rapport la structure d’une molécule et ses propriétés relationnelles. Une approche réalisée par les chimistes anglais Sidgwick et Powell en 1941 rend possible de prédire, la forme d'une molécule en ne connaissant que le nombre de paires d'électrons sur la couche de valence. Les molécules ne sont pas toutes planes, mais possèdent des formes définies comme on pourrait s'y attendre dans le cas d'un objet à trois dimensions. De nombreuses propriétés moléculaires sont influencées par la forme de la molécule ou par la relation géométrique des atomes entre eux. La théorie de la répulsion des paires d'électrons sur la couche de valence (en anglais, Valence Shell Électron Pair Répulsion. VSEPR) permet de faire des prédictions précises.

Le problème que nous soulevons est désormais le suivant : si la forme géométrique d’une molécule est dépendante des atomes qui la constituent, alors les atomes eux-mêmes ont une forme qui leur permet de distribuer l’emplacement des électrons de valence. Ceux-ci ne sauraient voyager librement dans l’atome mais demeurent liés à leur proton parent. Dans l’hypothèse contraire aucune structuration de la molécule ne serait décelable et la théorie VSEPR n’aurait aucun sens puisque livrée à l’arbitraire du mouvement et de l’emplacement des électrons. Conséquence seconde : il existe une organisation rationnelle et logique des neutrons et protons dans l’atome telle que CHACUN se montre et se définit selon une GEOMETRIE précise, de sorte que la FORME d’un carbone  par exemple soit nettement différenciée d’un atome de lithium. C’est donc à partir de cette forme que peuvent se définir les propriétés de valence. Inversement, c’est en partant de ces propriétés qu’il est possible construire la géométrie d’un atome ( et non simplement d'une molécule).