Orbitales atomiques

Une orbitale atomique représente les régions tridimensionnelles d’un atome où un électron a la plus grande probabilité de demeurer. La fonction de distribution radiale indique la probabilité totale de trouver un électron sur la couche mince à une distance r du noyau. Les orbitales atomiques ont des formes distinctes qui sont déterminées par l, le nombre quantique du moment angulaire. Les orbitales sont souvent représentées par une surface limite, qui renferme les régions les plus denses du nuage.  

Le nombre quantique du moment angulaire est un nombre entier qui peut prendre les valeurs, l = 0, 1, 2, …, n – 1. Une orbitale dont le nombre quantique principal est 1 (n = 1) ne peut avoir qu’une seule valeur de l (l = 0), alors qu’un nombre quantique principal de 2 (n = 2) permet l = 0 et l = 1. Les orbitales ayant la même valeur de l définissent une sous-couche.

Les orbitales dont l = 0 sont appelées les orbitales s et elles constituent les sous-couches s. La valeur l = 1 correspond aux orbitales p. Pour un n donné, les orbitales p constituent une sous-couche p (c.-à-d., 3p si n = 3). Les orbitales dont l = 2 sont appelées les orbitales d. Les orbitales dont l = 3, 4 et 5 sont les orbitales f, g et h. 

L’orbitale d’énergie la plus basse est l’orbitale 1s. Il s’agit d’une orbitale de symétrie sphérique. La densité de probabilité de présence (ψ²) d’une orbitale 1s implique que l’électron est le plus susceptible d’être trouvé au noyau. Cependant, étant donné les forces électrostatiques entre les protons et les électrons, cela ne représente pas précisément l’emplacement de l’électron. Au lieu de cela, la fonction de distribution radiale est utilisée, qui est un tracé de la probabilité totale de trouver un électron dans une orbitale à un rayon r donné. La fonction de distribution radiale est trouvée en multipliant la densité de probabilité par le volume des couches sphériques minces avec les rayons, r. Pour l’orbitale 1s de l’hydrogène, la fonction de distribution radiale a une valeur nulle au niveau du noyau, qui augmente jusqu’à un maximum à 52,9 picomètres avant de diminuer avec l’augmentation de r.

Il y a certaines distances du noyau auxquelles la densité de probabilité de trouver un électron situé sur une orbitale particulière est nulle. En d’autres termes, la valeur de la fonction d’onde ψ est nulle à cette distance pour cette orbitale. Une telle valeur de r est appelée un nœud radial. Le nombre de nœuds radiaux dans une orbitale est de n – l – 1. Pour les orbitales 2s, où n = 1, il y a un nœud radial, alors que les orbitales 3s ont deux nœuds radiaux.  

Chaque niveau principal dont n = 2 ou plus contient trois orbitales p. Les trois orbitales p ont deux lobes avec un nœud situé au niveau du noyau. L’orientation des orbitales p dans l’espace est décrite par la valeur de m_l. Les trois orbitales p sont mutuellement perpendiculaires (orthogonales) les unes aux autres. Les orbitales p plus hautes (3p, 4p, 5p et plus) ont des formes similaires mais sont plus grandes avec des nœuds radiaux supplémentaires.

Les niveaux principaux dont n = 3 ou plus contiennent cinq orbitales d. Quatre de ces orbitales ont une forme de trèfle, avec quatre lobes de densité d’électrons. Il existe deux plans nodaux perpendiculaires qui se croisent au noyau. Au niveau de ces plans nodaux, la densité électronique est nulle. L’une des orbitale d a une forme légèrement différente et a deux lobes orientés sur l’axe des z avec un anneau en forme de beignet dans le plan xy. Les principaux niveaux dont n = 4 et plus contiennent sept orbitales f, qui ont des formes complexes. Ces orbitales ont plus de nœuds et de lobes que les orbitales d.

Figure 1 : orbitales s, p, d et f représentatives.

Ces différentes formes des orbitales atomiques représentent les régions tridimensionnelles dans lesquelles l’électron est susceptible d’être trouvé. Les orbitales toutes ensemble constituent une forme à peu près sphérique, ce qui explique pourquoi les atomes sont généralement représentés comme des sphères.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 6.3 : Développement de la théorie quantique.