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2.4: Modèle orbital électronique
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Modèle orbital électronique
 
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2.4: Modèle orbital électronique

Aperçu

Les orbitales sont les zones à l’extérieur du noyau atomique où les électrons sont les plus susceptibles de résider. Ils sont caractérisés par différents niveaux d’énergie, formes et orientations tridimensionnelles.

L’emplacement d’un électron dans un atome correspond à un niveau d’énergie et à une forme orbitale

L’emplacement des électrons est décrit le plus généralement par une coquille ou un niveau d’énergie principal, puis par une sous-coquille dans chaque coquille, et enfin, par des orbitales individuelles trouvées dans les sous-coquilles. La première coquille est la plus proche du noyau, et elle n’a qu’une seule sous-coquille avec une seule orbitale sphérique, appelée orbitale 1s, qui peut contenir deux électrons. La coquille suivante contient huit électrons totaux : deux dans l’orbitale sphérique de 2s et deux dans chacune des trois orbitales de 2p en forme d’haltère. Dans les niveaux d’énergie plus élevés, les orbitales les plus externes , celles que l’on trouve dans les sous-coquilles d et f, prennent des formes plus complexes. Un total de 10 électrons peuvent tenir dans les cinq orbitales d, et 14 électrons totaux s’inscrivent dans les sept orbitales f.

Les diagrammes orbitaux peuvent être utilisés pour visualiser l’emplacement et les niveaux d’énergie relatifs de chaque électron dans un atome. Dans chaque coquille, les électrons ont un niveau croissant d’énergie. Le sous-coquille s a la plus faible quantité d’énergie. Les électrons de la sous-coquille p ont une énergie un peu plus élevée, suivis de la sous-coquille d et f s’ils sont présents.

Le modèle Bohr a introduit le concept d’orbitales

Nous avons vu que les électrons dans différentes orbitales ont des niveaux d’énergie différents. Comment savons-nous qu’il y a de l’énergie dans les électrons, et encore moins que les électrons peuvent avoir des quantités différentes d’énergie? En 1913, Niels Bohr a été en mesure de déterminer expérimentalement combien d’énergie a été acquise et perdue lorsque les électrons ont changé orbitales dans un atome d’hydrogène et d’autres ions avec un seul électron. Combinant les résultats de ses expériences avec la connaissance préalable d’un noyau chargé positivement à partir des travaux d’Ernest Rutherford, Bohr a développé le premier modèle d’orbitales d’électrons.

Lorsque les électrons gagnent de l’énergie, ils entrent dans un état excité et sautent vers des orbitales plus élevées. L’énergie peut être ajoutée aux électrons sous forme de chaleur ou de lumière, et quand ils perdent cette énergie rapidement, ils retombent de l’orbitale supérieure et émettent une particule de lumière appelée photon. La couleur du photon émis correspond à une quantité spécifique d’énergie afin qu’il puisse être quantifié par un spectroscope.

Bohr a été en mesure de déterminer l’énergie contenue dans les principaux niveaux d’énergie — aussi appelés coquilles — en chauffant l’hydrogène. L’énergie thermique supplémentaire a forcé l’électron à sauter du premier niveau d’énergie à des niveaux plus élevés. Bohr a ensuite mesuré la longueur d’onde de la lumière qui a été émise lorsque les atomes se sont refroidis à nouveau.

Le modèle mécanique quantique de l’atome

Le modèle d’orbitales d’électrons de Bohr supposait que les électrons assuraient le noyau dans des trajectoires circulaires fixes. Bien que ses expériences aient été précises pour les ions d’hydrogène et d’hydrogène avec un seul électron, il ne pouvait pas prédire les configurations d’électrons d’autres éléments. Il devait y avoir d’autres facteurs influençant la physique des particules subatomiques.

En 1926, Erwin Schrödinger élargit le modèle d’énergie de Bohr et développe le modèle d’orbitale atomique qui est encore accepté aujourd’hui. Schrödinger a pris en compte un certain nombre d’autres découvertes concernant le comportement physique des électrons qui ont été faites par les scientifiques au début des années 1920. Son modèle mécanique quantique prédit avec précision les configurations d’électrons d’éléments avec plusieurs électrons. Un changement fondamental dans le modèle de Schrödinger est l’hypothèse que les électrons voyagent dans un mouvement d’onde qui est affecté par la charge positive du noyau. Pour cette raison, les orbitales dont nous parlons aujourd’hui sont des zones semblables à des nuages où les électrons sont les plus susceptibles d’être trouvés plutôt que des chemins circulaires fixes comme Bohr l’a proposé. Une autre distinction essentielle est la division des niveaux d’énergie de Bohr — coquilles — en petites catégories — sous-coquilles et orbitales.

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