Origine de la barrière de rotation
L'origine physique de la barrière de rotation est complexe. Elle met en jeu des interactions de van der Waals et des interactions coulombiennes.
Interactions entre atomes non liés (interactions de van der Waals)
Les interactions de van der Waals sont répulsives lorsque les distances entre atomes non liés sont inférieures aux distances d'équilibre de van der Waals et deviennent attractives pour des distances supérieures.
Dans le cas de l'hydrogène, la distance entre deux atomes d'hydrogène liés (molécule \(\textrm H_2\)) est de \(0,74 \AA\) alors que la distance d'équilibre entre deux atomes non liés est de l'ordre de \(2,4\AA\). Ces distances caractéristiques sont représentées ci-contre.
Distances intra (rouge)- et inter (bleu)- moléculaires caractéristiques du dihydrogène
On a représenté ci-dessous les distances entre atomes hydrogène dans l'éthane.
La distance de \(\textrm{2,27} \stackrel{°}{\textrm A}\) dans la conformation éclipsée induit une répulsion ; la distance de \(\textrm{2,49} \stackrel{°}{\textrm A}\) dans la conformation décalée induit quant à elle une attraction. On pourrait donc penser que la préférence pour la conformation décalée provient de l' attraction entre les atomes d'hydrogène des deux groupements méthyle, qui est alors maximale.
Cependant, cette interférence stérique entre les atomes d'hydrogène n'est pas suffisante pour justifier la valeur de la barrière d'énergie de \(\textrm{12,5 kJ.mol}^{-1}\). On estime qu'elle ne produirait qu'une différence de \(\textrm{1,2 kJ.mol}^{-1}\).
Opposition de liaison
La plus grande partie de la barrière d'énergie est due à la répulsion électrostatique entre les électrons des liaisons \(\textrm C-\textrm H\) qui est bien plus intense que l'interaction faible de van der Waals. Cette répulsion est appelée tension de Pitzer. Elle conduit à favoriser l'éloignement maximal des liaisons et donc la conformation décalée au détriment de la conformation éclipsée. On l'appelle aussi pour cette raison tension d'éclipse.