Comment faire des diagrammes orbitaux

Les diagrammes orbitaux électroniques et les configurations écrites vous indiquent quelles orbitales sont remplies et lesquelles sont partiellement remplies pour n'importe quel atome. Le nombre d'électrons de valence a un impact sur leurs propriétés chimiques, et l'ordre spécifique et les propriétés des orbitales sont importantes en physique, de sorte que de nombreux étudiants doivent se familiariser avec les bases. La bonne nouvelle est que les diagrammes orbitaux, les configurations électroniques (à la fois sous forme abrégée et complète) et les diagrammes de points pour les électrons sont vraiment faciles à comprendre une fois que vous avez compris quelques notions de base.

TL; DR (trop long; n'a pas lu)

Les configurations électroniques ont le format: 1s² 2s² 2p⁶. Le premier nombre est le nombre quantique principal (n) et la lettre représente la valeur de l (nombre quantique de moment angulaire; 1 = s, 2 = p, 3 = d et 4 = f) pour l'orbitale, et le nombre en exposant vous indique combien d'électrons se trouvent dans cette orbitale. Les diagrammes orbitaux utilisent le même format de base, mais au lieu de nombres pour les électrons, ils utilisent les flèches ↑ et, tout en donnant à chaque orbitale sa propre ligne, pour représenter également les spins des électrons.

Les configurations électroniques sont exprimées à travers une notation qui ressemble à ceci: 1s² 2s² 2p¹. Apprenez les trois parties principales de cette notation pour comprendre son fonctionnement. Le premier nombre vous indique le «niveau d'énergie» ou le nombre quantique principal (n). La deuxième lettre vous indique la valeur de (l), le nombre quantique du moment cinétique. Pour l = 1, la lettre est s, pour l = 2 c'est p, pour l = 3 c'est d, pour l = 4 c'est f et pour les nombres supérieurs, elle augmente par ordre alphabétique à partir de ce point. Rappelez-vous que les orbitales s contiennent un maximum de deux électrons, les orbitales p un maximum de six, d un maximum de 10 et f un maximum de 14.

Le principe Aufbau vous dit que les orbitales les plus énergétiques se remplissent en premier, mais l'ordre spécifique n'est pas séquentiel d'une manière facile à mémoriser. Voir Ressources pour un diagramme montrant l'ordre de remplissage. Notez que le niveau n = 1 n'a que des orbitales s, le niveau n = 2 n'a que des orbitales s et p, et le niveau n = 3 n'a que des orbitales s, p et d.

Ces règles sont faciles à utiliser, donc la notation pour la configuration de scandium est :

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Ce qui montre que l'ensemble des niveaux n = 1 et n = 2 sont pleins, le niveau n = 4 a été démarré, mais la couche 3D ne contient qu'un électron, alors qu'elle a une occupation maximale de 10. Cet électron est l'électron de valence.

Identifiez un élément à partir de la notation en comptant simplement les électrons et en trouvant l'élément avec un numéro atomique correspondant.

Écrire chaque orbitale pour les éléments les plus lourds est fastidieux, les physiciens utilisent donc souvent une notation abrégée. Cela fonctionne en utilisant les gaz rares (dans la colonne la plus à droite du tableau périodique) comme point de départ et en y ajoutant les orbitales finales. Le scandium a donc la même configuration que l'argon, sauf avec des électrons dans deux orbitales supplémentaires. La forme abrégée est donc :

[Ar] 4s² 3d¹

Parce que la configuration de l'argon est :

[Ar] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

Vous pouvez l'utiliser avec n'importe quel élément à l'exception de l'hydrogène et de l'hélium.

Les diagrammes orbitaux sont comme la notation de configuration qui vient d'être introduite, sauf avec les spins des électrons indiqués. Utilisez le principe d'exclusion de Pauli et la règle de Hund pour déterminer comment remplir les coquilles. Le principe d'exclusion stipule qu'aucun électron ne peut partager les quatre mêmes nombres quantiques, ce qui se traduit essentiellement par des paires d'états contenant des électrons avec des spins opposés. La règle de Hund stipule que la configuration la plus stable est celle avec le plus grand nombre possible de tours parallèles. Cela signifie que lors de l'écriture de diagrammes orbitaux pour des coquilles partiellement pleines, remplissez tous les électrons de spin ascendant avant d'ajouter des électrons de spin descendant.

Cet exemple montre comment fonctionnent les diagrammes orbitaux, en utilisant l'argon comme exemple :

3p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

3s ↑ ↓

2p ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

Les électrons sont représentés par les flèches, qui indiquent également leurs spins, et la notation sur la gauche est la notation de configuration électronique standard. Notez que les orbitales de plus haute énergie sont en haut du diagramme. Pour une coquille partiellement pleine, la règle de Hund exige qu'elles soient remplies de cette manière (en utilisant l'azote comme exemple).

2p ↑ ↑ ↑

2s ↑ ↓

1s ↑ ↓

Les diagrammes de points sont très différents des diagrammes orbitaux, mais ils sont toujours très faciles à comprendre. Ils se composent du symbole de l'élément au centre, entouré de points indiquant le nombre d'électrons de valence. Par exemple, le carbone a quatre électrons de valence et le symbole C, il est donc représenté par :

∙

C ∙

∙

Et l'oxygène (O) en a six, il est donc représenté par :

∙

O ∙

∙∙

Lorsque les électrons sont partagés entre deux atomes (en liaison covalente), les atomes partagent le point du diagramme de la même manière. Cela rend l'approche très utile pour comprendre la liaison chimique.