Par Richard Gaughan Mis à jour le 30 août 2022
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Les atomes sont constitués d'un noyau lourd entouré d'électrons légers. La mécanique quantique veut que les électrons occupent des régions distinctes appelées orbitales. Étant donné que les interactions chimiques se produisent principalement via les électrons les plus externes, la forme de ces orbitales est cruciale pour comprendre comment les atomes se lient et se comportent.
Les physiciens décrivent l’état d’un électron avec un ensemble de nombres quantiques entiers. Le nombre quantique principal n se rapporte à l'énergie, tandis que le nombre quantique orbital l et le nombre quantique magnétique m déterminer la géométrie et l’orientation de l’orbite. Il existe d’autres nombres quantiques, mais ils n’influencent pas directement la forme orbitale. Les orbitales représentent des nuages de probabilité (et non des chemins d'électrons littéraux) autour du noyau.
Pour chaque valeur de n , il y a une orbitale où les deux l et m égal à zéro. Ce sont des coques sphériques, dont la taille augmente comme n augmente. L'orbitale s est le seul type qui existe pour l'état fondamental (n =1) et apparaît dans tous les niveaux d'énergie principaux. Bien que la densité électronique soit plus élevée près du noyau, la sphère est effectivement emboîtée comme des coquilles concentriques.
Quand n dépasse un, des types orbitaux supplémentaires apparaissent. Pour je égale à un, l’orbitale est appelée orbitale p. Ceux-ci ressemblent à des haltères. Chaque l la valeur permet m aller de –l à +l par pas entiers, donnant trois orbitales p à chaque niveau au-dessus de n =1 :une orientée le long de l'axe z (m =0) et deux orthogonales dans le plan x – y (m =± 1). Les orbitales P apparaissent dans tous les niveaux d'énergie principaux au-dessus du premier, avec des changements structurels subtils comme n grandit.
À n=3, l peut être 2, donnant lieu à d orbitales. Il existe cinq orbitales d distinctes correspondant à m =–2, –1, 0, 1, 2. L’orbitale m=0 d ressemble à un haltère avec un « beignet » toroïdal au milieu, tandis que les quatre autres ressemblent à quatre lobes disposés en pyramide carrée, chacun orienté différemment. Les orbitales D sont présentes chaque fois que le nombre quantique principal est d'au moins trois.
Pour n=4, l est égal à 3, produisant des orbitales f. Ce sont les plus complexes et les plus difficiles à visualiser. Les orbitales m=0, ±1 ressemblent à des haltères avec deux anneaux toroïdaux flanquant la barre centrale, tandis que les valeurs m restantes produisent des formes semblables à des faisceaux de huit ballons attachés ensemble par un nœud central. Les orbitales F deviennent disponibles dans tous les niveaux d'énergie où n est égal ou supérieur à quatre.
Les mathématiques derrière les orbitales électroniques sont complexes, mais de nombreux outils en ligne restituent ces formes graphiquement. De telles visualisations sont inestimables pour comprendre comment les électrons se répartissent autour d'un noyau.