par 
Noyaux et électrons
[modifier] Orbitales électroniques
Une orbitale électronique peut être définie comme une région de
l'espace dans laquelle la probabilité de trouver un électron est
grande. La forme et la taille des orbitales électroniques sont
déterminées dans le cadre de la théorie quantique de l'atome.
Si, dans une expérience mentale, on réalise une série de clichés
photographiques d'un atome à des moments successifs, on observera les
électrons à différents endroits autour du noyau. Plus la probabilité de
trouver l'électron à un endroit est grande, plus le cliché montrera de
photos de l'électron à cet endroit. Finalement, le cliché obtenu
montrera des sortes de nuages autour du noyau. La densité d'un nuage à
un endroit donné sera d'autant plus grande que la probabilité de
trouver l'électron à cet endroit est grande.
Chacune des orbitales décrites est caractérisée par un certain
niveau d'énergie des électrons qu'elle contient. En première
approximation, plus l'orbitale est grande -et donc, plus les électrons
qu'elle contient sont éloignés du noyau, plus l'énergie potentielle des
électrons contenus est grande, de la même manière qu´une pierre au
sommet d´une colline a une énergie potentielle plus grande que celle
qui se trouve au fond de la vallée.
[modifier] La nature ondulatoire de l´électron
Les électrons se comportent comme des particules mais aussi
comme des ondes. (Les travaux d'Albert Einstein, entre autres,
montrent, en effet, que la lumière et toute la matière se comportent
ainsi.) Un des résultats de cette observation est que les électrons ne
peuvent être sur une orbite de n´importe quelle énergie.
Pensons à une onde stationnaire sur une corde de guitare. Il n´y a
qu´un nombre entier de demi-longueurs d´onde qui peut former une onde
stationnaire sur la corde.
C´est la même chose pour une coque atomique. Comme l´énergie dépend de
la longueur d´onde, l´énergie de l´électron dans un atome (un électron
lié) est quantifiée. Cela signifie que l´énergie est limitée à
certaines valeurs distinctes, une pour chaque coque avec aucune valeur
intermédiaire. En plus de cela, il n´y a pas que l´énergie qui est
quantifiée, d´autres propriétés de l´électron le sont aussi. Celles-ci
sont aussi des valeurs distinctes sans valeur intermédiaires. Le moment
angulaire est quantifié, le spin est quantifié, les composants du
moment angulaire dans chaque direction sont aussi quantifiés.
Il y a en fait une liste de règles pour déterminer quelles sont les valeurs que chacune de ces propriétés peut prendre.
[modifier] Introduction à la théorie quantique
L´idée fondamentale de la mécanique quantique, énoncée par Louis de
Broglie, est que la matière est associée à une onde ou plutôt aux
propriétés d´une onde. Mathématiquement, cette idée se traduit par la
relation :
où p est la quantité de mouvement p = mv et h est la constante de Planck qui vaut 6,626 10-34J.s .--
Du binôme matière - onde, on a déduit le principe d´incertitude
de Heisenberg qui dit qu´il est impossible de vérifier, avec précision,
la position et la quantité de mouvement d´une particule en mouvement.
On définit aussi la constante de Planck réduite ou constante de Dirac :
Le principe d´incertitude n´a pas d´influence sur notre vie courante ; voyons un exemple :
Une voiture de 500 kg se déplace à une vitesse de 80 km/h.
Supposons que cette vitesse soit connue à 0,5 km/h près. Quelle est
l´erreur minimum possible sur la détermination de la position du
véhicule ?
Ce qui est insignifiant.
Pour un électron, c´est tout à fait différent.
Un électron de 9,1 10-31 kg fait partie d´un atome d´hydrogène qui a un diamètre de 2 10-10 m. Sa position est donc connue à 10-10 m près. Quelle précision maximum puis-je obtenir sur la vitesse de cet électron ?
On voit donc pourquoi nous ne parlons pas de la position de
l´électron mais bien de sa probabilité de se trouver dans une position.
Il est probablement difficile de comprendre ce début d´exposé sur
la mécanique quantique. Beaucoup penseront que tout cela n´entre pas
dans le bon sens. En fait, il ne s´agit pas de comprendre cette théorie
mais bien de la connaître. Peu à peu, il a été établi que la mécanique
quantique mène à des conséquences réelles, palpables et matérielles.
Il n´y a pas plus de bon sens d´accepter les lois de Newton que
tout le monde accepte mais qui ont dû aussi perturber les esprits à
l´époque où elles ont été énoncées.
[modifier] L´équation de Schrödinger
Si l´on dit qu´à la matière est associée une onde, il doit y avoir
une équation qui représente cette onde. Cette équation a été établie
par Erwin Schrödinger.
Dans une équation quelconque y = f(x), il peut arriver que certaines
valeurs de x ne donnent pas de solution à l´équation. Par exemple, y =
log(x) n´admet de solutions que pour les valeurs positives de x.
De la même manière, l´équation de Schrödinger n´admet comme solution
qu´un nombre limité de valeurs. On dit que ces solutions sont
quantifées, plus précisement, et copions le Petit Robert :
« Quantifié : Se dit d´une grandeur physique qui ne peut prendre que
certaines valeurs caractérisées par des nombres entiers multiples d´une
valeur discréte, le quanta. » Ce qui est quantifié, c´est l´énergie, la
position, les moments angulaire et magnétique...
Mais quelle est cette fameuse équation de Schrödinger ?
Regardez-la et oubliez-la immédiatement :
[modifier] Les Nombres Quantiques
| Nombre | Symbole | Valeurs possibles | Signification |
| Nombre quantique principal | n | 1, 2, 3, 4, 5 ... | Indique la coque où se trouve l´électron. C´est le facteur principal pour déterminer l´énergie de l´électron (plus grand est n, plus grande est l´énergie) et aussi pour indiquer la distance de l´électron au noyau (plus grand est n, plus l´électron est éloigné du noyau). |
| Nombre quantique angulaire | l | 0, 1, 2, 3, ..., (n - 1) | Indique la sous-coque qui contient l´électron. Il correspond aux sous-coques s, p, d, f (0 correspond à s, 1 à p, etc. Il peut prendre les valeurs 0 à n-1). |
| Nombre quantique magnétique | ml | -l ... -2, -1, 0, +1, +2 ... +l | Indique dans quelle orbitale se trouve l´électron. Par exemple, il y a trois orbitales p, le nombre quantique magnétique indique dans laquelle des trois orbitales se trouve l´électron. Il peut prendre les valeurs de -l à +l. |
| Nombre quantique de spin | ms | +½, -½ | Indique le spin de l´électron. Il ne peut prendre qu´une des deux valeurs et ne dépend pas des autres nombres quantiques. |
[modifier] Couches électroniques et orbitales
Quand un atome ou un ion reçoit des électrons dans ses
orbitales, les nuages et les orbitales se remplissent d´une manière
définie.
Il y a trois principes qui gouvernent ce processus 1) Le
principe de remplissage 2) Le principe d´exclusion de Pauli 3) Un
troisième
[modifier] Principe de remplissage
Les électrons ont tendance à remplir les couches électroniques
demandant le moins d'énergie en premier(ex : remplir la couche 4s avant
la couche 3d)
Voici l'ordre de remplissage : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 5f 6d 6f
Les orbitales s peuvent contenir 2 électrons maximum. Les orbitales
p peuvent contenir 6 électrons maximum. Les orbitales d peuvent
contenir 10 électrons maximum, et finalement les orbitales f peuvent
contenir 14 électrons maximum
Exemple de remplissage : N (7)= 1s² 2s² 2p³
Anomalie : Un atome cherche toujours à être stable (avoir sa dernière
couche électronique pleine). Parfois, il transfère un électron à une
couche plus haute pour acquérir une certaine stabilité.
Exemple : Cr(24) = {Ar}4s1 3d5
[modifier] Principe d´exclusion
[modifier] Orbitales atomiques
Les électrons circulent sur des orbites atomiques dans des
nuages de forme et grandeurs variées. Les nuages d´électrons sont sous
forme de coques imbriquées les unes dans les autres où les électrons
occupant les coques les plus petites et les plus internes possèdent le
plus bas état énergétique et ceux occupant les coques les plus grandes
et les plus externes, le plus haut état d´énergie. Plus l'orbite
électronique est éloignée du noyau, plus l´électron possède une énergie
potentielle élevée. Tout comme une pierre qui se trouve au sommet de la
colline posséde une énergie potentielle plus grande que celle qui se
trouve au fond de la vallée.
[modifier] La nature ondulatoire de l´électron
Les électrons se comportent en particules mais aussi en ondes.
(Les travaux de Einstein et autres montrent que la lumière et la
matière se comportent avec cette double nature qui est observée plus
clairement pour les particules très petites). Un des résultats de cette
observation est que les électrons ne peuvent se déplacer sur une orbite
de n´importe quelle énergie. Pensez à une onde stationnaire sur une
corde de guitare. Il n´y a qu´un nombre entier de demi-ondes qui
peuvent créer une onde stationnaire sur la corde. C´est la même chose
pour les coques électroniques. Comme l´énergie dépend de la longueur
d´onde, l´énergie d´un électron dans un atome (électron lié) est quantifiée.
Cela signifie que l´énergie est limitée à des valeurs distinctes, une
pour chaque coque sans valeurs "entre deux". De plus, il n´y a pas que
l´énergie qui est quantifiée, d´autres propriétés de l'électron sont
aussi attribuées par valeurs discrètes. Le moment angulaire est
quantifié, le "spin" est quantifié, les composants du moment angulaire
sont aussi quantifiées. Il y a en fait une série de règles qui
s´appliquent aux valeurs que peuvent prendre ces propriétés.
[modifier] Coques électroniques
Chaque coque est divisée en une ou plusieurs orbitales, chacune
d´elles ayant un moment angulaire différent. Chaque orbitale a une
forme différente et est nommée par une lettre. Ce sont: s, p, d, and f. (qui signifient Sharp-étroite-, principle- principale-, diffuse-difuse-, et fundamental-fondamentale-
ce qui fait référence au raies vues au spectroscope) . Dans un atome
avec un électron, l´énergie de toutes les orbitales dans une coque
particulière est identique. Cependant lorsqu´il y a plus d´un électron
, ils interagissent entre eux et séparent les orbitales entre des
énergies légèrement différentes. Dans chaque coque, l´énergie des
orbitales dépend du moment angulaire, l´orbitale s ayant la plus petite énergie, puis la p et ainsi de suite.
[modifier] L´orbitale s
Image stylisée
des orbitales s
L´orbitale la plus simple dans un atome est l´orbitale 1s. Elle
n´a pas de noeuds radiaux ou angulaires : l´orbitale 1s est simplement
une sphère de densité d´électron. Comme pour toutes les orbitales, le
nombre de noeuds radiaux augmente avec le nombre quantique principal
(c´est-à-dire l´orbitale 2s a un noeud radial, la 3s deux noeuds etc). Comme le nombre quantique de moment angulaire est zéro, il n´y a qu´une orbitale s par coque. L´orbitale s peut contenir deux électrons qui devront avoir des spins différents.
[modifier] Les orbitales p
Image stylisée des orbitales p
A partir de la 2iemecouche, il y a plusieurs orbitales p. Il n´y a qu´un nombre quantique de moment angulaire dans une orbitale p ainsi l´orbitale p
n´a qu´un noeud angulaire. Il y a trois possibilités de nombre
magnétique quantique qui indiquent trois possibilités d´orientations
des orbitales p. Finalement, chaque orbitale peut recevoir deux
électrons (de spins opposés) donnant une capacité totale de 6 électrons.
(
Les orbitales p ont deux lobes de densité d´électron situés sur chacun des axes. Chacune est symétrique sur son axe. La notation des orbitales p indique sur quel axe se trouve l´orbitale c´est-à-dire que px pointe le long de l´axe des x, py le long de l´ axe des y et pz le long de l´axe des z . Les orbitales p sont "dégénérées" parce qu´elles ont la même énergie.
 |  |  |
[modifier] Les Orbitales d
Image stylisée des toutes les orbitales atomiques d
Le premier ensemble d´orbitales d est le groupe 3d. Le
nombre quantique angulaire est 2, ainsi chaque orbitale a deux noeuds
angulaires. Il y a cinq possibilités pour le nombre quantique
magnétique, ce qui donne cinq orbitales diférentes. Chaque orbitale
peut contenir deux électrons (de spins opposés) donnant une capacité de
10 électrons.
Notons que toutes les orbitales d ont quatre lobes de densité d´électrons sauf dz2, qui a deux lobes opposés. Les orbitales d peuvent être subdivisées en deux petit groupes.Les orbitales dx2-y2 et dz2eg . D´un autre coté, les lobes des orbitales dxy, dxz et dyz n´ont pas de densité électronique sur les axes. Ces trois orbitales forment le groupe t2g . Dans beaucoup de cas, les orbitales d sont dégénérées mais parfois, elles peuvent se diviser avec les sous-groupes eg et t2g ayant une énergie différente eg et t2g pointent tous dans la direction des axes des x, y et x et forment un groupe
 |  |  |  |  |
[modifier] Orbitales f et supérieurs
f a un moment angulaire 3, cela donne 7 valeurs dans la direction de z . Une orbitale f peut donc contenir 14 électrons.
Liaison Delta
Liaison Pi 
