Modèle ondulatoire de l atome, orbitales atomiques et moléculaires. Pr. P. Gallice

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1 Modèle ondulatoire de l atome, orbitales atomiques et moléculaires Pr. P. Gallice

2 Modèle ondulatoire Modèle de BOHR à insuffisant! (ne permet pas d expliquer certaines caractéristiques des liaisons chimiques) L électron va alors être considéré comme une onde. Une fonction mathématique décrit le comportement de l électron : la fonction d onde ou orbitale.

3 Notion d orbitales Chaque orbitale correspond à une case quantique du modèle de BOHR. Une orbitale définit à la fois un niveau énergétique et la géométrie de la région de l espace où se trouve le plus souvent l électron. Le principe d exclusion de PAULI s applique aux orbitales. La probabilité de trouver l électron dans l enveloppe virtuelle que constitue l orbitale est d environ 0,8 à 0,9.

4 Notion d orbitales Différentes symétries possibles pour ces «enveloppes virtuelles» : - sphérique : orbitales s - elliptique (haltères) : orbitales p - elliptique (haltères croisées) : orbitales d Levée de dégénérescence :

5 Orbitale s : Orbitales p : Orbitales d :

6 Nombre quantiques Nombre quantique principal n Nombre quantique secondaire l : Valeurs de l Orbitale Nombre d orbitales (2l + 1) Symétrie des orbitales 0 s 1 sphérique 1 p 3 haltères 2 d 5 haltères croisée 3 f 7 multilobes complexes Nombre quantique magnétique m Nombre quantique de spin s

7

8 Exemple : Configuration électronique de l oxygène O 2 (Z = 8) : 1s 2 2s 2 2p 4 nombre quantique n symétrie de l orbitale déterminée par le nombre quantique secondaire l nombre d électrons présents dans l orbitale

9 Orbitales moléculaires (OM) Résultent du recouvrement des orbitales atomiques (OA) : c est la combinaison linéaire des deux OA

10 Molécules diatomiques homonucléaires : exemple du dihydrogène H 2 H 2 est composé de deux atomes de H de configuration 1s 1. Il est formé par la combinaison linéaire des deux mêmes OA, conduisant à deux possibilités pour l OM : - une orbitale liante σ - une orbitale anti-lianteσ* On aura donc deux niveaux énergétiques différents.

11 Exemple du dihydrogène : diagramme moléculaire Fait apparaître les niveaux d énergie des électrons de liaison, qui sont placés prioritairement sur le niveau de plus basse énergie, en respectant les règles de PAULI et de HUND.

12 Ordre de liaison Il est égal à la moitié de la différence entre le nombre d électrons liants et le nombre d électrons anti-liants. OL = 0 à pas de molécule possible. Au plus il est élevé, au plus la liaison est stable. Exemple du dihydrogène : (2-0)/2 = 1 à On a une liaison entre les deux H

13 Autres molécules diatomiques Électrons internes et externes La couche externe peut posséder des éléments s et p. La combinaison des OA pour former des OM devient plus délicate car il y a plus de paramètres qui entrent en jeu.

14 Deux cas de symétrie possibles pour les OA Formation d une OM conservant une symétrie axiale: - combinaison s s - combinaison s p - combinaison p p Formation d une OM conservant une symétrie de réflexion par rapport à un plan : - concerne uniquement 2 orbitales p

15 Spin moléculaire : exemple du difluor F 2 Configuration de F (Z = 9) : 1s 2 2s 2 2p 5 couche externe - Spin d un électron célibataire : +1/2 - Spin d un doublet électronique : (+1/2-1/2) = 0 - S = 0 à molécule diamagnétique - S 0 à molécule paramagnétique Pour F 2 : S = 0 à la molécule est diamagnétique

16 Molécules polyatomiques : hybridation C est la recherche d une combinaison linéaire de deux ou plusieurs OA d un même atome. On obtient alors de nouvelles orbitales qui répondent à des conditions d équivalence énergétique et d orientation spatiale.

17 Combinaison 1 OA s et 1 OA p 2 orbitales sp Angle entre les deux axes : 180 Hybridation digonale (molécule linéaire)

18 Combinaison 1 OA s et 2 OA p 3 orbitales sp 2 Angle entre les deux axes : 120 Hybridation trigonale (molécule plane)

19 Combinaison 1 OA s et 3 OA p 4 orbitales sp 3 Angle entre les deux axes : 109,28 Molécule tétraédrique

20 Exemple du méthane CH4

21 Complexes métalliques Correspond à la formation d un métal ou d un ion métallique avec des espèces moléculaires ou ioniques appelées ligands. Le ligand ou l ion métallique en position centrale est uni aux ligands par des liaisons de coordination.

22 Liaison de coordination Une liaison de coordination se forme entre deux atomes, l un nommé donneur, l autre accepteur. Le donneur possède sur sa couche de valence un doublet électronique libre qu il fournit à l accepteur pour former la liaison. L accepteur reçoit le doublet dans une orbitale (ou case quantique) libre située sur sa couche de valence.

23 Charge électrique La charge électrique globale est égale à la somme algébrique des charges de l espèce métallique et de celle des ligands (si ioniques). Cette charge est indiquée par un exposant à l extérieur de crochets encadrant la formule du complexe : [Complexe] charge La charge électrique globale permet de calculer le degré ou nombre d oxydation (NO) de l espèce métallique du complexe. Ce NO correspond à la charge électrique initiale de l espèce métallique.

24 Nombre d oxydation Connaissant les NO des ligands, le NO de l espèce métallique se calcule par simple différence en considérant que dans le cas : - d un complexe neutre : la somme de tous les NO est nulle ; - d un complexe ionique : la somme de tous les NO est égale à la charge de cet ion.

25 Exemple : [Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 ] Charge globale : aucune (complexe moléculaire) NO (Pt) : Indice de coordination :

26 Structure électronique et géométrie Les ligands entourant l atome central créent un champ électrique. Modification des niveaux d énergie des orbitales d de l atome central : levée de dégénérescence.

27

28 Fin! C était l un des cours les plus délicats à comprendre, ça ira mieux ensuite J Revoyez bien le cours de mécanique quantique, il complète ce cours. N oubliez pas le cours sur l électronégativité, il est aussi important! À vendredi pour le QCM sur les trois cours <3

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