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Les atomes sont composés d'un noyau lourd entouré d'électrons légers. Le comportement des électrons est régi par les règles de la mécanique quantique. Ces règles permettent aux électrons d'occuper des régions spécifiques appelées orbitales. Les interactions des atomes se faisant presque exclusivement à travers leurs électrons les plus externes, la forme de ces orbitales devient donc très importante. Par exemple, lorsque les atomes sont rapprochés, si leurs orbitales les plus externes se chevauchent, ils peuvent alors créer une liaison chimique forte. il est donc important de connaître la forme des orbitales pour comprendre les interactions atomiques.
Nombres quantiques et orbitales
Les physiciens ont trouvé pratique d'utiliser un raccourci pour décrire les caractéristiques des électrons dans un atome. Le raccourci est en termes de nombres quantiques; ces nombres ne peuvent être que des nombres entiers, pas des fractions. Le nombre quantique principal, n, est lié à l'énergie de l'électron; puis il y a le nombre quantique orbital, l, et le nombre quantique de moment angulaire, m. Il existe d’autres nombres quantiques, mais ils ne sont pas directement liés à la forme des orbitales. Les orbitales ne sont pas des orbites, en ce sens qu'elles sont des chemins autour du noyau; au lieu de cela, ils représentent les positions où l'électron est le plus susceptible d'être trouvé.
S orbitales
Pour chaque valeur de n, il existe une orbitale où l et m sont égaux à zéro. Ces orbitales sont des sphères. Plus la valeur de n est élevée, plus la sphère est large - en d'autres termes, plus il est probable que l'électron se trouve plus loin du noyau. Les sphères ne sont pas également denses partout; ils ressemblent plus à des coquilles imbriquées. Pour des raisons historiques, on appelle cela une orbitale. En raison des règles de la mécanique quantique, les électrons de plus basse énergie, avec n = 1, doivent avoir l et m égaux à zéro, de sorte que la seule orbitale qui existe pour n = 1 est l'orbitale s. L’orbitale s existe également pour toute autre valeur de n.
Orbitales P
Lorsque n est supérieur à un, davantage de possibilités s'ouvrent. L, le nombre quantique orbital, peut avoir n'importe quelle valeur jusqu'à n-1. Lorsque l est égal à un, l'orbitale est appelée orbitale p. Les orbitales P ressemblent un peu à des haltères. Pour chaque l, m va de positif à négatif par incréments de un. Donc, pour n = 2, l = 1, m peut être égal à 1, 0 ou -1. Cela signifie qu'il existe trois versions de l'orbitale p: une avec l'haltère de haut en bas, une autre avec l'haltère de gauche à droite et une autre avec l'haltère perpendiculaire aux deux autres. Les orbitales P existent pour tous les nombres quantiques principaux supérieurs à un, bien qu'ils aient une structure supplémentaire à mesure que n augmente.
Orbitales D
Lorsque n = 3, alors l peut être égal à 2 et lorsque l = 2, m peut être égal à 2, 1, 0, -1 et -2. Les orbitales l = 2 sont appelées orbitales d, et il y en a cinq différentes correspondant aux différentes valeurs de m. L'orbite n = 3, l = 2, m = 0 ressemble également à un haltère, mais avec un beignet au milieu. Les quatre autres orbitales ressemblent à quatre œufs empilés de manière carrée. Les différentes versions ont juste les oeufs pointant dans des directions différentes.
Orbitales F
Les orbitales n = 4, l = 3 sont appelées orbitales et sont difficiles à décrire. Ils ont plusieurs caractéristiques complexes. Par exemple, le n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; et m = -1 orbitales sont à nouveau en forme d'haltères, mais maintenant avec deux beignets entre les extrémités de la barre. Les autres valeurs m ressemblent à un paquet de huit ballons, avec tous leurs nœuds attachés ensemble au centre.
Visualisations
Les mathématiques régissant les orbitales des électrons sont assez complexes, mais de nombreuses ressources en ligne fournissent des réalisations graphiques des différentes orbitales. Ces outils sont très utiles pour visualiser le comportement des électrons autour des atomes.