Chapitre 4 : Orbitale Atomique et Niveaux d'Énergie

 

Chapitre 4 : Orbitale Atomique et Niveaux d'Énergie

Introduction

Les orbitales atomiques sont des régions dans un atome où il est probable de trouver des électrons. Ces orbitales sont définies par des fonctions d'onde quantiques, et elles jouent un rôle crucial dans la détermination de la structure électronique des atomes, ainsi que dans la formation des liaisons chimiques. Les orbitales sont classées en différents types (s, p, d, f) et ont des niveaux d'énergie spécifiques associés à elles.

1. Description des Orbitales

1.1 Orbitales s

  • Forme et Géométrie : Les orbitales s ont une forme sphérique autour du noyau. Elles sont représentées par des sphères concentriques autour du noyau.
  • Nombre d'Orbitales : Il n'y a qu'une seule orbitale s par niveau d'énergie (n).
  • Sous-niveaux : La seule orbitale s dans chaque niveau d'énergie est appelée 1s,2s,3s,1s, 2s, 3s, etc.
  • Exemple : L'orbitale 1s1s est la plus proche du noyau et a la plus basse énergie.

1.2 Orbitales p

  • Forme et Géométrie : Les orbitales p ont une forme de double lobule en forme de "huit". Elles sont orientées le long des axes x, y, et z, formant trois orbitales p distinctes dans chaque niveau d'énergie (n) supérieur ou égal à 2.
  • Nombre d'Orbitales : Il y a trois orbitales p par niveau d'énergie (n), notées pxp_x, pyp_y, et pzp_z.
  • Sous-niveaux : Les orbitales p dans chaque niveau d'énergie sont 2p,3p,4p,2p, 3p, 4p, etc.
  • Exemple : Les orbitales 2p2p sont les orbitales p du deuxième niveau d'énergie.

1.3 Orbitales d

  • Forme et Géométrie : Les orbitales d ont des formes plus complexes, généralement décrites comme ayant des lobes et des "clés" ou des "croissants" qui se chevauchent.
  • Nombre d'Orbitales : Il y a cinq orbitales d par niveau d'énergie (n) à partir du niveau 3.
  • Sous-niveaux : Les orbitales d sont notées 3d,4d,5d3d, 4d, 5d, etc.
  • Exemple : Les orbitales 3d3d apparaissent à partir du troisième niveau d'énergie.

1.4 Orbitales f

  • Forme et Géométrie : Les orbitales f ont une forme encore plus complexe avec sept lobes ou "clés".
  • Nombre d'Orbitales : Il y a sept orbitales f par niveau d'énergie (n) à partir du niveau 4.
  • Sous-niveaux : Les orbitales f sont notées 4f,5f,6f4f, 5f, 6f, etc.
  • Exemple : Les orbitales 4f4f sont présentes à partir du quatrième niveau d'énergie.

2. Diagrammes d'Énergie des Orbitales

Les diagrammes d'énergie montrent les niveaux d'énergie relatifs des orbitales atomiques et aident à comprendre la configuration électronique des atomes. Ils sont souvent utilisés pour prédire l'ordre dans lequel les électrons remplissent les orbitales.

2.1 Principe de Aufbau

Selon le principe de Aufbau, les électrons remplissent les orbitales atomiques en commençant par le niveau d'énergie le plus bas et progressent vers les niveaux plus élevés. Ce principe est illustré par les diagrammes d'énergie suivants.

2.2 Diagrammes des Orbitales Atomiques

  • Diagramme pour les Orbitales s, p, et d :

    Niveau 11sNiveau 22s2px2py2pzNiveau 33s3px3py3pz3d(5 orbitales)Niveau 44s4px4py4pz4d(5 orbitales)4f(7 orbitales)\begin{array}{cccc} \text{Niveau 1} & \text{1s} \\ \text{Niveau 2} & \text{2s} & \text{2p}_x & \text{2p}_y & \text{2p}_z \\ \text{Niveau 3} & \text{3s} & \text{3p}_x & \text{3p}_y & \text{3p}_z & \text{3d}_\text{(5 orbitales)} \\ \text{Niveau 4} & \text{4s} & \text{4p}_x & \text{4p}_y & \text{4p}_z & \text{4d}_\text{(5 orbitales)} & \text{4f}_\text{(7 orbitales)} \end{array}
  • Diagramme pour les Orbitales f :

    \text{Niveau 4} & \text{4f}_\text{(7 orbitales)}

2.3 Diagrammes de Moitié de Remplissage

Les diagrammes de Moitié de Remplissage montrent les niveaux d'énergie avec les orbitales et le nombre maximal d'électrons qu'ils peuvent contenir.

  • Exemple :

    1s2 eˊlectrons\text{1s} \rightarrow 2 \text{ électrons}
    2s2 eˊlectrons\text{2s} \rightarrow 2 \text{ électrons}
    2p6 eˊlectrons\text{2p} \rightarrow 6 \text{ électrons}
    3s2 eˊlectrons\text{3s} \rightarrow 2 \text{ électrons}
    3p6 eˊlectrons\text{3p} \rightarrow 6 \text{ électrons}
    4s2 eˊlectrons\text{4s} \rightarrow 2 \text{ électrons}
    3d10 eˊlectrons\text{3d} \rightarrow 10 \text{ électrons}
    4p6 eˊlectrons\text{4p} \rightarrow 6 \text{ électrons}
    5s2 eˊlectrons\text{5s} \rightarrow 2 \text{ électrons}
    4d10 eˊlectrons\text{4d} \rightarrow 10 \text{ électrons}
    5p6 eˊlectrons\text{5p} \rightarrow 6 \text{ électrons}
    6s2 eˊlectrons\text{6s} \rightarrow 2 \text{ électrons}
    4f14 eˊlectrons\text{4f} \rightarrow 14 \text{ électrons}

Conclusion

Les orbitales atomiques déterminent la répartition des électrons autour du noyau et leur interaction dans les liaisons chimiques. Les diagrammes d'énergie permettent de visualiser les niveaux d'énergie associés à chaque orbitale et de comprendre comment les électrons occupent ces niveaux en suivant les principes de la mécanique quantique.