La théorie de la structure de l'éthylène et une note sur la structure de l'éthane

Résumé Il existe deux méthodes assez distinctes pour tenter de résoudre la structure des molécules polyatomiques. L'une est principalement associée aux noms de Hund et Mulliken, tandis que l'autre doit son développement principalement à Heitler, London, Slater et Pauling. La première de ces méthodes, que nous désignerons comme la procédure H-M suivant Van Vleck, permet d'introduire les électrons, un à la fois, dans un champ auto-consistant possédant la symétrie du cadre nucléaire. Chaque niveau d'énergie peut absorber deux électrons en raison de la dégénérescence de spin, et les niveaux sont remplis successivement jusqu'à ce que tous les électrons aient été utilisés. En revanche, la méthode H-L-S-P est basée sur l'idée de paires d'électrons. Le spin d'un électron sur un noyau est couplé à celui d'un autre électron sur un autre noyau pour donner un spin résultant ou zéro, et la paire forme alors une liaison saturée. L'apairage se produit entre les spins de manière à donner une énergie de liaison maximale, et le nombre de spins libres capables d'être appariés avec des électrons sur d'autres atomes constitue la valence d'un atome. Bien que les deux modes d'attaque, lorsqu'ils sont menés à une solution complète, soient équivalents, ils ressemblent souvent peu l'un à l'autre, à l'approximation à laquelle ils sont généralement traitables. Il est donc important, lors de l'examen de tout problème de valence, de faire des calculs dans les deux sens, et si les résultats sont concordants, on peut se sentir assez sûr de leur précision. Le principal objectif du présent article est d'essayer une telle approche sur la molécule d'éthylène CH2-CH2. De plus, certains résultats intéressants seront présentés sur la molécule d'éthane CH3-CH3. Pauling et Slater ont suggéré plutôt timidement qu'avec l'éthylène, les quatre électrons de valence sur les noyaux de C sont arrangés avec une symétrie tétraédrique, tout comme ils le sont dans la molécule de méthane. Cela donnerait un angle HCH de 109,5°, et les deux paires d'électrons constituant la double liaison, similaires. Afin d'obtenir le maximum de recouvrement, et donc présumément la moindre énergie, tous les six noyaux doivent se trouver dans un même plan. Nous discuterons de ce modèle en détail et montrerons qu'en redistribuant légèrement les liaisons, une configuration encore plus stable est possible. Mulliken a proposé essentiellement le même type de double liaison que nous employons, mais il n'a pas effectué de calculs détaillés pour établir ce point. Hückel a également considéré la molécule d'éthylène, et il a conclu que ce sont les liaisons π-π qui empêchent la rotation libre autour du joint C-C. Nous établirons ce point de manière beaucoup plus détaillée que lui, et prouverons en même temps que si l'un des groupes CH2 est tourné, la position d'énergie minimale est atteinte lorsque tous les six noyaux se trouvent dans un même plan.