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La géométrie moléculaire ou structure moléculaire désigne l'arrangement 3D des atomes dans une molécule. Elle détermine plusieurs propriétés d'une substance, dont sa réactivité, sa polarité, sa phase, sa couleur, son magnétisme et son activité biologique[réf. incomplète][1],[2].
La géométrie moléculaire peut être établie à l'aide de différents outils, dont la spectroscopie et la diffraction. Les spectroscopies infrarouge, rotationnelle et Raman peuvent donner des informations relativement à la géométrie d'une molécule grâce aux absorbances vibrationnelles et rotationnelles. Les diffractométries de rayons X, de neutrons et des électrons peuvent donner des informations à propos des solides cristallins. La diffraction de gaz d'électrons peut être utilisée pour de petites molécules à l'état gazeux. La RMN et le FRET peuvent servir à obtenir d'autres informations, telles la distance relative[3],[4],[5], les angles dihédraux[6],[7], les angles et la connectivité. La géométrie des molécules est plus facile à obtenir lorsqu'elles sont à basse température. Les plus grosses molécules existent souvent sous plusieurs formes géométriques stables (conformérie). Les géométries peuvent aussi être calculées avec une grande précision par la méthode ab initio de chimie quantique. La géométrie moléculaire peut aussi être différente selon la phase de la molécule.
La géométrie d'une molécule dépend du nombre d'atome(s) ou de « doublet non liant » reliés à l'atome central de la molécule. Les atomes périphériques subissant une répulsion électronique, qui les force à se repousser les uns les autres, vont à se positionner le plus loin possible les uns des autres. Il existe cinq géométries, selon le nombre de « composants » (atome(s) et doublets non liants) de la molécule qui sont liés à l'atome central :
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