Orbitales atomiques

[Kitouille]

Bonjour tout le monde !

"Une orbitale atomique est une zone de l'espace où la probabilité de trouver un électron autour du noyau est de 95%." Je crois ne pas avoir bien compris cette phrase...
Est ce que pour trouver la probabilité de présence d'un électron appartenant à un atome, il faut préciser sa couche ? Par ex : Sur la couche n=1 d'un atome, on peut trouver deux électrons. Cette couche est composé d'une sous couche nommé S, en forme de sphère. Un électron de cette couche a alors 95% de chances de se situer dans le volume de la sphère? Si c'est le cas, j'arrive pas bien à me visualiser la chose pour la couche n=2, puisqu'il y a des sous couches S et P. Ca voudrait dire alors que l'électron de la couche n=2 a 95% de chances de se situer dans l'espace occupé par les orbitales S2 et P par ex ?

Merci de votre aide
-----

[Sethy]

Bonjour tout le monde !

"Une orbitale atomique est une zone de l'espace où la probabilité de trouver un électron autour du noyau est de 95%." Je crois ne pas avoir bien compris cette phrase...
Est ce que pour trouver la probabilité de présence d'un électron appartenant à un atome, il faut préciser sa couche ? Par ex : Sur la couche n=1 d'un atome, on peut trouver deux électrons. Cette couche est composé d'une sous couche nommé S, en forme de sphère. Un électron de cette couche a alors 95% de chances de se situer dans le volume de la sphère?

Oui.

Si c'est le cas, j'arrive pas bien à me visualiser la chose pour la couche n=2, puisqu'il y a des sous couches S et P. Ca voudrait dire alors que l'électron de la couche n=2 a 95% de chances de se situer dans l'espace occupé par les orbitales S2 et P par ex ?

Merci de votre aide

En fait l'orbitale 2s et les 3 orbitales p (appelée 2px, 2py et 2pz) sont distinctes. Un électron sur l'orbitale 2s à 95% de se trouver dans l'espace délimité par cette orbitale. De même un électron dans l'orbitale 2py à 95% de chance de se trouver dans l'espace délimité par cette orbitale précise.

[curieuxdenature]

Bonjour tout le monde !

"Une orbitale atomique est une zone de l'espace où la probabilité de trouver un électron autour du noyau est de 95%." Je crois ne pas avoir bien compris cette phrase...

Bonsoir

il faut aussi préciser qu'une orbitale n'est pas définie avec des bords bien définis, on pourrait se représenter l'orbitale 1s de l'atome d'hydrogène, par exemple, comme une bille de rayon Ao (= 1 rayon de Bohr) alors que dans un tel volume la probabilité d'y trouver l'électron n'est que de 32%.
Qui monte à 95% pour un rayon de 3.15 Ao et quasiment à 100% (99.7%) dans un rayon de 5 Ao.

Et bien sûr, cela fait du sens pour des orbitales sphériques de type '1s'.
Pour les autres orbitales ce n'est pas trop parlant de parler de distance radiale, vu leurs allures générales bizarroïdes.
Même dans la couche '2s' la probabilité de trouver l'électron n'est pas uniforme avec sa distance du noyau.
Cette orbitale vue en coupe ressemble à deux globes concentriques.
(à l'intérieur de ce volume il y a une deuxième zone, hors du centre, où cette probabilité tombe à 0 malgré sa forme globale sphérique.)

[Matrok]

...l'orbitale 1s de l'atome d'hydrogène...

C'est un peu du coupage de cheveu en quatre, d'autant plus que c'est un abus de langage fréquent même dans des cours par ailleurs de qualité, mais si on est un peu rigoureux on ne peut pas parler d'orbitale pour l'atome d'hydrogène, ni pour les hydrogénoïdes. On ne peut parler d'orbitale que lorsqu'on a fait l'approximation orbitalaire (on dit aussi "approximation orbitale"), qui ne s'applique que dans le cas où on a plusieurs électrons et donc pas dans le cas de l'atome d'hydrogène ni dans celui des ions hydrogénoïdes. Dans ces cas "simples" mieux vaut parler de fonctions propres, et réserver le mot "orbitale" aux fonctions d'onde monoélectroniques des atomes polyélectroniques traités dans le cadre de l'approximation orbitalaire, et par extension aux "orbitales moléculaires"...

Quant à appeler "orbitale" un volume dans l'espace, ce n'est pas seulement un petit abus de langage, c'est plus grave : c'est une simplification pseudo-pédagogique totalement abusive : Une orbitale décrit (par le carré de son module) la densité de probabilité de présence de l'électron en n'importe quel point de l'espace, et pas seulement une moyenne dans un volume limité. Une sphère de rayon 3,15 a⁰ n'est pas l'orbitale 1s, ce n'est que... une manière de représenter un peu maladroitement la forme de cette orbitale, et qui ne dit pas tout, loin de là. Il vaut mieux comprendre la fonction d'onde comme une fonction des coordonnées de l'espace, ou pour le dire dans un langage plus physicien, comme un champ scalaire. Ce qui n'empêche pas d'essayer de décrire sa forme : une orbitale a des symétries, des maximas et des minimas sur certaines surfaces, etc. Comme un petit dessin vaut mieux qu'un long discours ou qu'une formule mathématique barbare, on y a recours, mais ça ne dit pas tout.

Donc pour répondre à la question initiale : oui, une orbitale permet de décrire une probabilité de présence au voisinage d'un point de l'espace pour un électron donné qui aurait les nombres quantiques n et l correspondant à cette orbitale. Et rappel au passage : sur une orbitale 1s on peut mettre zéro, un ou deux électrons (pas plus, règle de Pauli oblige).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Sethy]

Ma réponse à ton interpellation Matrok, ira dans deux directions différentes.

Tout d'abord, j'ai moi aussi hésité à développer le sujet, mais face à l'interrogation de Kitouille, j'ai préféré m'en abstenir même si ça démangeait.

Ensuite, c'est tout le problème du niveau de vulgarisation. Ira-t-on parler à un élève qui apprend la division, et pour lequel la division par zéro n'a pas de sens, de la règle de l'Hospital (et de ses limites ... au propre et au figuré).

[Kitouille]

Merci pour vos réponses, c'est déjà plus clair, mais pour reprendre Sethy, comment sait-on qu'un électron est sur telle ou telle orbitale ? C'est avec la configuration électronique des atomes ?

Aussi, quand on travaille dans l'infiniment petit, les choses semblent bizarres et incertaines, alors qu'à notre échelle, on semble figé, je ne peux pas être à deux endroits en même temps comme l'électron par ex, comment cela se fait-il ?

[moco]

La contribution de Matrok me fait penser à celle d'un professeur de math qui essaierait d'expliquer la notion de nombre irrationnel ou de nombre transcendant à un enfant qui apprend les additions et les soustractions. C'est beau, c'est exact, c'est parfait. Mais le texte de Matrok risque bien d'être incompréhensible à quelqu'un qui en est au début de l'étude de la structure atomique. Il ne suffit pas d'avoir raison. Il faut encore le dire de manière à être compris de son interlocuteur.

Quand Kitouille demande "comment on sait qu'un électron est sur telle ou telle orbitale", il montre qu'il n'en est qu'au début. Apparemment il ne connaît pas la règle de Klechkowski, quoi que je peux me tromper, et ce serai utile de le savoir. Kitouille n'en dit pas assez sur ses doutes. S'il pouvait être plus clair dans ses demandes, on pourrait peut-être l'aider (sans parler de champ scalaire, comme le fait Matro).

[Sethy]

Merci pour vos réponses, c'est déjà plus clair, mais pour reprendre Sethy, comment sait-on qu'un électron est sur telle ou telle orbitale ? C'est avec la configuration électronique des atomes ?

Le noyau d'un atome est chargé positivement, et plus exactement d'un multiple entier de la charge élémentaire (charge d'un proton). Dans sa configuration "de base" il va donc attirer autant d'électrons (chargés négativement) qu'il n'a de proton. Un cas simple est l'atome d'Hélium. Le noyau contient deux protons et il attire exactement deux électrons (ni plus, ni moins).

Chose assez particulière, à chaque fois qu'on va réunir un noyau d'Hélium avec deux électrons, on va récupérer exactement la même quantité d'énergie. Tout aussi particulier, lorsque l'on soumet un atome d'Hélium a des décharges électriques, on observe des raies très fines de lumière émises. De ces deux phénomènes on a déduit que les électrons ne peuvent pas occuper n'importe quel niveau d'énergie et que ceux-ci sont bien définis. En approfondissant, on a fait le lien entre la forme d'une orbitale et son niveau d'énergie. Evidemment, comme les électrons sont attirés par les noyau, ils essaient de se situer le plus près de celui-ci (à moins de recevoir un petit coup de pied au cul et de se retrouver sur une orbitale plus "lointaine").

Aussi, quand on travaille dans l'infiniment petit, les choses semblent bizarres et incertaines, alors qu'à notre échelle, on semble figé, je ne peux pas être à deux endroits en même temps comme l'électron par ex, comment cela se fait-il ?

C'est tout le paradoxe du monde quantique. Einstein qui ne croyait pas à une certaine interprétation de la mécanique quantique a d'ailleurs dit à ce propos : "Dieu ne joue pas aux dés !".

[curieuxdenature]

je ne peux pas être à deux endroits en même temps comme l'électron par ex, comment cela se fait-il ?

Bonsoir

Quand on représente un orbitale, on ne prétend pas que l'électron y est partout en même temps, c'est juste l'espace dans lequel il peut se trouver sans pouvoir déterminer l'endroit exact à un instant donné. C'est le but de la description qui parle de probabilité de présence.

Ensuite, pour ce qui est de savoir dans quelle orbitale se trouve les électrons, et bien il faut savoir qu'on ne peut pas placer 36 électrons au même endroit, il y a des règles de remplissage, comme le souligne Moco avec la règle de Klechkowski.
Il te faut commencer par comprendre cette règle avant d'aller plus loin.
Il y a d'autres règles qui viennent encore limiter leurs positions autour du noyau, ce n'est pas d'une simplicité enfantine.