ORBITALES ATOMIQUES: EN QUOI ELLES CONSISTENT ET TYPES - CHIMIE - 2025

Les orbitales atomiques sont les régions de l'atome définies par une fonction d'onde pour les électrons. Les fonctions d'onde sont des expressions mathématiques obtenues en résolvant l'équation de Schrödinger. Ceux-ci décrivent l'état énergétique d'un ou plusieurs électrons dans l'espace, ainsi que la probabilité de le trouver.

Ce concept physique, appliqué par les chimistes pour comprendre la liaison et le tableau périodique, considère l'électron comme une onde et une particule à la fois. Par conséquent, l'image du système solaire est rejetée, où les électrons sont des planètes tournant sur des orbites autour du noyau ou du soleil.

Source: Par haade, via Wikimedia Commons

Cette visualisation obsolète est utile pour illustrer les niveaux d'énergie de l'atome. Par exemple: un cercle entouré d'anneaux concentriques représentant les orbites et leurs électrons statiques. En fait, c'est l'image avec laquelle l'atome est présenté aux enfants et aux jeunes.

Cependant, la véritable structure atomique est trop complexe pour même en avoir une image approximative.

Considérant alors l'électron comme une onde-particule, et résolvant l'équation différentielle de Schrödinger pour l'atome d'hydrogène (le système le plus simple de tous), les fameux nombres quantiques ont été obtenus.

Ces nombres indiquent que les électrons ne peuvent occuper aucune place dans l'atome, mais seulement ceux qui obéissent à un niveau d'énergie discret et quantifié. L'expression mathématique de ce qui précède est connue sous le nom de fonction d'onde.

Ainsi, à partir de l'atome d'hydrogène, une série d'états énergétiques régis par des nombres quantiques a été estimée. Ces états d'énergie étaient appelés orbitales atomiques.

Mais, ceux-ci ne décrivaient que la localisation d'un électron dans un atome d'hydrogène. Pour d'autres atomes, polyélectroniques, à partir de l'hélium, une approximation orbitale a été faite. Parce que? Parce que la résolution de l'équation de Schrödinger pour les atomes avec deux électrons ou plus est très compliquée (même avec la technologie actuelle).

Que sont les orbitales atomiques?

Les orbitales atomiques sont des fonctions d'onde qui se composent de deux composants: un radial et un angulaire. Cette expression mathématique s'écrit:

Ψ _NLML = R _nl (r) Y _lml (θφ)

Bien que cela puisse sembler compliqué au premier abord, notez que les nombres quantiques n, l et ml sont indiqués en minuscules. Cela signifie que ces trois nombres décrivent l'orbitale. R _nl (r), mieux connue sous le nom de fonction radiale, dépend de nyl; tandis que Y _lml (θφ), la fonction angulaire, et dépend de l ml.

Dans l'équation mathématique, il y a aussi les variables r, la distance au noyau, et θ et ϕ. Le résultat de tout cet ensemble d'équations est une représentation physique des orbitales. Qui? Celui vu dans l'image ci-dessus. Là, une série d'orbitales est montrée qui sera expliquée dans les sections suivantes.

Leurs formes et leurs dessins (pas les couleurs) proviennent de la représentation graphique des fonctions d'onde et de leurs composantes radiales et angulaires dans l'espace.

Fonction d'onde radiale

Comme on le voit dans l'équation, R _nl (r) dépend à la fois de n et de l. Ainsi, la fonction d'onde radiale est décrite par le niveau d'énergie principal et ses sous-niveaux.

Si l'électron pouvait être photographié quelle que soit sa direction, un point infiniment petit pourrait être observé. Ensuite, en prenant des millions de photographies, il pourrait être détaillé comment le nuage de points change en fonction de la distance au noyau.

De cette manière, la densité du nuage au loin et à proximité du noyau peut être comparée. Si la même opération était répétée mais avec un autre niveau d'énergie ou sous-niveau, un autre nuage se formerait qui entoure le précédent. Entre les deux, il y a un petit espace où l'électron n'est jamais localisé; c'est ce qu'on appelle un nœud radial.

De plus, dans les nuages, il y a des régions avec une densité d'électrons de plus en plus basse. En grossissant et en s'éloignant du noyau, ils ont plus de nœuds radiaux; et de plus, une distance r où l'électron tourne plus fréquemment et est plus susceptible d'être trouvé.

Fonction d'onde d'angle

Encore une fois, il est connu à partir de l'équation Y _lml (θφ) est décrite principalement par les nombres quantiques et l ml. Cette fois, il participe au nombre quantique magnétique, par conséquent, la direction de l'électron dans l'espace est définie; et cette direction peut être représentée graphiquement à partir des équations mathématiques impliquant les variables θ et ϕ.

Maintenant, nous ne procédons pas à la prise de photographies, mais à l'enregistrement d'une vidéo de la trajectoire de l'électron dans l'atome. Contrairement à l'expérience précédente, on ne sait pas exactement où se trouve l'électron, mais où il va.

Lorsque l'électron se déplace, il décrit un nuage plus défini; en fait, une figure sphérique, ou une avec des lobes, comme celles vues dans l'image. Le type de chiffres et leur direction dans l'espace sont décrits par l et ml.

Il y a des régions, proches du noyau, où l'électron ne transite pas et la figure disparaît. Ces régions sont appelées nœuds d'angle.

Par exemple, si vous regardez la première orbitale sphérique, vous en venez rapidement à la conclusion qu'elle est symétrique dans toutes les directions; cependant, ce n'est pas le cas des autres orbitales, dont les formes révèlent des espaces vides. Ceux-ci peuvent être observés à l'origine du plan cartésien, et dans les plans imaginaires entre les lobes.

Probabilité de trouver la liaison électronique et chimique

Source: Par la Fondation CK-12 (Fichier: High School Chemistry.pdf, page 265), via Wikimedia Commons

Pour déterminer la vraie probabilité de trouver un électron dans une orbitale, les deux fonctions doivent être considérées: radiale et angulaire. Par conséquent, il ne suffit pas de supposer la composante angulaire, c'est-à-dire la forme illustrée des orbitales, mais aussi comment leur densité électronique change par rapport à la distance du noyau.

Cependant, comme les directions (ml) distinguent une orbitale d'une autre, il est pratique (mais peut-être pas tout à fait correct) de ne considérer que la forme de l'orbite. De cette manière, la description de la liaison chimique s'explique par le chevauchement de ces figures.

Par exemple, ci-dessus est une image comparative de trois orbitales: 1s, 2s et 3s. Notez ses nœuds radiaux à l'intérieur. L'orbitale 1 n'a pas de nœud, tandis que les deux autres ont un et deux nœuds.

Lors de l'examen d'une liaison chimique, il est plus facile de ne garder à l'esprit que la forme sphérique de ces orbitales. De cette façon, l'orbitale ns se rapproche d'une autre, et à une distance r, l'électron formera une liaison avec l'électron de l'atome voisin. De là surgissent plusieurs théoriciens (TEV et TOM) qui expliquent ce lien.

Comment sont-ils symbolisés?

Les orbitales atomiques sont explicitement symbolisées par: nl _ml.

Les nombres quantiques prennent des valeurs entières 0, 1, 2, etc., mais pour symboliser les orbitales, il ne reste qu'une valeur numérique n. Alors que pour l, le nombre entier est remplacé par sa lettre correspondante (s, p, d, f); et pour ml, une variable ou une formule mathématique (sauf pour ml = 0).

Par exemple, pour l'orbitale 1s: n = 1, s = 0 et ml = 0. Il en est de même pour toutes les orbitales ns (2s, 3s, 4s, etc.).

Pour symboliser le reste des orbitales, il est nécessaire d'aborder leurs types, chacun avec ses propres niveaux d'énergie et caractéristiques.

Les types

Orbitales s

Les nombres quantiques l = 0 et ml = 0 (en plus de leurs composantes radiale et angulaire) décrivent une orbitale de forme sphérique. C'est celui qui dirige la pyramide des orbitales de l'image initiale. De plus, comme on peut le voir sur l'image des nœuds radiaux, on peut s'attendre à ce que les orbitales 4s, 5s et 6s aient trois, quatre et cinq nœuds.

Ils se caractérisent par leur symétrie et leurs électrons subissent une charge nucléaire efficace plus importante. En effet, ses électrons peuvent pénétrer les coques internes et planer très près du noyau, ce qui exerce une attraction positive sur elles.

Par conséquent, il y a une probabilité qu'un électron 3s puisse pénétrer les orbitales 2s et 1s, en s'approchant du noyau. Ce fait explique pourquoi un atome avec des orbitales hybrides sp est plus électronégatif (avec une plus grande tendance à attirer la densité électronique de ses atomes voisins) qu'un atome avec hybridation sp ³.

Ainsi, les électrons dans les orbitales s sont ceux qui subissent le plus la charge du noyau et sont plus stables sur le plan énergétique. Ensemble, ils exercent un effet de blindage sur les électrons dans d'autres sous-niveaux ou orbitales; c'est-à-dire qu'ils diminuent la charge nucléaire réelle Z subie par les électrons les plus externes.

Orbitales p

Source: David Manthey via Wikipedia

Les orbitales p ont les nombres quantiques l = 1, et avec des valeurs de ml = -1, 0, +1. Autrement dit, un électron dans ces orbitales peut prendre trois directions, qui sont représentées par des haltères jaunes (selon l'image ci-dessus).

Notez que chaque haltère est situé le long d'un axe cartésien x, y et z. Par conséquent, cette orbitale p située sur l'axe x est notée p _x; celui sur l'axe y, p _y; et s'il pointe perpendiculairement au plan xy, c'est-à-dire sur l'axe z, alors c'est p _z.

Toutes les orbitales sont perpendiculaires les unes aux autres, c'est-à-dire qu'elles forment un angle de 90 °. De même, la fonction angulaire disparaît dans le noyau (à l'origine de l'axe cartésien), et il n'y a que la probabilité de trouver l'électron dans les lobes (dont la densité électronique dépend de la fonction radiale).

Effet de blindage médiocre

Les électrons de ces orbitales ne peuvent pas pénétrer les coquilles internes aussi facilement que les orbitales. En comparant leurs formes, les orbitales p semblent être plus proches du noyau; cependant, les électrons ns se trouvent plus fréquemment autour du noyau.

Quelle est la conséquence de ce qui précède? Qu'un électron np subit une charge nucléaire efficace inférieure. De plus, ce dernier est encore réduit par l'effet de blindage des orbitales s. Ceci explique, par exemple, pourquoi un atome avec des orbitales hybrides sp ³ est moins électronégatif qu'un atome avec des orbitales sp ² ou sp.

Il est également important de noter que chaque haltère a un plan nodal angulaire, mais pas de nœuds radiaux (les orbitales 2p uniquement). Autrement dit, s'il devait être tranché, il n'y aurait pas de couches à l'intérieur comme avec l'orbitale 2s; mais à partir de l'orbitale 3p, des nœuds radiaux commenceraient à être observés.

Ces nœuds angulaires sont responsables des électrons les plus externes subissant un mauvais effet de blindage. Par exemple, les électrons 2s protègent mieux ceux des orbitales 2p que les électrons 2p protègent ceux des orbitales 3s.

Px, Py et Pz

Comme les valeurs de ml sont -1, 0 et +1, chacune représente une orbitale Px, Py ou Pz. Au total, ils peuvent accueillir six électrons (deux pour chaque orbitale). Ce fait est crucial pour comprendre la configuration électronique, le tableau périodique et les éléments qui composent ce qu'on appelle le bloc p.

Orbitales d

Source: Par Hanilakkis0528, de Wikimedia Commons

Les orbitales d ont des valeurs de l = 2 et ml = -2, -1, 0, +1, +2. Il y a donc cinq orbitales capables de contenir dix électrons au total. Les cinq fonctions angulaires des orbitales d sont représentées dans l'image ci-dessus.

Les premières, les orbitales 3d, manquent de nœuds radiaux, mais toutes les autres, à l'exception de l'orbitale d _z2, ont deux plans nodaux; pas les plans de l'image, car ceux-ci ne montrent que dans quels axes se trouvent les lobes orange avec des formes de feuilles de trèfle. Les deux plans nodaux sont ceux qui se divisent perpendiculairement au plan gris.

Leurs formes les rendent encore moins efficaces pour protéger la charge nucléaire effective. Parce que? Parce qu'ils ont plus de nœuds, à travers lesquels le noyau peut attirer des électrons externes.

Par conséquent, toutes les orbitales d contribuent à une augmentation moins prononcée des rayons atomiques d'un niveau d'énergie à un autre.

Orbitales f

Source: par Geek3, de Wikimedia Commons

Enfin, les orbitales f ont des nombres quantiques avec des valeurs de l = 3 et ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Il y a sept orbitales f, pour un total de quatorze électrons. Ces orbitales deviennent disponibles à partir de la période 6, symbolisée superficiellement par 4f.

Chacune des fonctions angulaires représente des lobes avec des formes complexes et plusieurs plans nodaux. Par conséquent, ils protègent encore moins les électrons externes et ce phénomène explique ce que l'on appelle la contraction des lanthanides.

Pour cette raison, pour les atomes lourds, il n'y a pas de variation prononcée de leurs rayons atomiques d'un niveau n à un autre n + 1 (6n à 7n, par exemple). À ce jour, les orbitales 5f sont les dernières trouvées dans des atomes naturels ou artificiels.

Avec tout cela à l'esprit, un fossé s'ouvre entre ce que l'on appelle l'orbite et les orbitales. Bien que textuellement ils soient similaires, ils sont en réalité très différents.

Le concept d'orbitale atomique et d'approximation orbitale a permis d'expliquer la liaison chimique, et comment elle peut, d'une manière ou d'une autre, affecter la structure moléculaire.

Références

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3. Quimitube. (sf). Orbitales atomiques et nombres quantiques. Récupéré de: quimitube.com
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5. Clark J. (2012). Orbitales atomiques. Récupéré de: chemguide.co.uk
6. Contes quantiques. (26 août 2011). Orbitales atomiques, un mensonge de lycée. Récupéré de: cuentos-cuanticos.com