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 etc.
- Exemple : L'orbitale 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 , , et .
- Sous-niveaux : Les orbitales p dans chaque niveau d'énergie sont etc.
- Exemple : Les orbitales 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 , etc.
- Exemple : Les orbitales 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 , etc.
- Exemple : Les orbitales 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 :
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 :
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.