Hybridation des orbitales atomiques

[amateurisme]

Bonjour.
Comment est-on censé savoir qu'une molécule contient des atomes qui ont subi l'hybridation juste en connaissant le nom de la molécule ?
J'ai lu que la théorie de l'hybridation a été utilisée pour expliquer pourquoi des liaisons étaient identiques alors qu'elles ne devaient pas l'être (exemple: CH4)...Donc, on sait qu'il y a hybridation grâce à l'observation. Mais comment un simple étudiant devant sa copie pourrait-il le savoir Juste avec le nom de la molécule ?
En gros: sous quelle(s) condition(s) un atome peut-il s'hybrider ? Tout les atomes s'hybrident-ils ? Si non, quelle(s) est(sont) la(les) caractéristique(s) d'un atome qui lui permet(tent) de s'hybrider ?
Si vous avez des éléments de réponse à l'une ou l'autre question, n'hésitez pas à les partager.
Merci.
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[moco]

Si l'atome de Carbone n'était pas hybridé, on aurait beaucoup de peine pour expliquer pourquoi le méthane CH4 est formé de molécules tétraédriques. En effet, le carbone normal, non hybridé, est constitué d'une orbitale atomique 2s occupée par 2 électrons et de deux orbitales 2p occupées chacune par un électron. Ces deux orbitales 2p ont des axes de symétrie qui font entre eux un angle de 90°. Si on les utilise pour faire des liaisons avec un atome d'Hydrogène, on est amené à penser que les liaisons C-H faites avec ces deux orbitales 2p font entre elles un angle de 90°. Or les liaisons C-H font entre elles des angles de 104°. Et la distance entre les noyaux de C et de H devrait être différente si la liaison C-H est formée en utilisant une orbitale 2s ou en utilisant une orbitale 2p. C'est pour cela que Pauling a eu l'idée un peu folle de créer des orbites hybrides sur l'atome C en mélangeant les 2s et les 2p avant que la liaison se forme entre C et H.

[amateurisme]

Merci pour ta réponse !
Mais en fait, j'ai du mal m'exprimer car ma question portait plus sur une chose précise:
Admettons qu'on ne m'ait jamais dit que les 4 liaisons dans CH4 étaient identiques et qu'on m'avait demandé de décrire leurs liaisons...j'aurais dit que les orbitales moléculaires étaient constituées d'une orbitale moléculaire formée à partir du recouvrement de deux orbitales s et de 3 orbitales moléculaires formées à partir du recouvrement d'orbitales s et d'orbitales p.
Or, j'aurais tout faux vu que les 4 liaisons sont pareilles comme nous le montre l'observation.
donc, si par exemple, on me demande quels types d'orbitales moléculaires sont présents dans NH3, j'aurais dit que les orbitales moléculaires proviennent du recouvrement de 3 orbitales p et 3 orbitales s. J'aurais donc tout faux puisque les OA sont hybridées dans N, donc, ça provient du recouvrement de 3sp3 avec 3s.
Donc, ma question est: sans observation et juste avec le nom de la molécule, comment je peux savoir qu'un des atomes dans une molécule a des orbitales qui ont été hybridées ? Les atomes s'hybrident-ils tous lorsqu'ils se lient ? ou bien certains s'hybrident, d'autres pas et il faut connaitre par cœur la liste des atomes qui s’hybrident lorsqu'ils se lient (A moins qu'il y ait un moyen de les reconnaitre)?
J'espère avoir été clair.
Merci.

[Sethy]

Attention, les orbitales ne sont pas disponibles "à volonté".

Il y a au maximum une orbitale 2s, et 3 orbitales 2p, soit 4 orbitales impliquées dans les hybridations du Carbone.

Il y a plusieurs règles qui s'appliquent :
- le nombre d'orbitales avant et après hybridation est la même (4 sp3 dans le cas du méthane, pas 3 ni 5, 4).
- une hybridation est une "combinaison linéaire" (notion mathématique). Dans une orbitale sp3, il y a 1/4 de s et 3/4 de p. Si on multiplie par 4 orbitales on obtient :

-- 1/4 s x 4 = 1s
-- 3/4 p x 4 = 3p

Autrement dit exactement ce qu'on avait au départ. De plus 1/4 de s + 3/4 de p = 1 orbitale.

Ceci est toujours vrai. Dans un atome de Carbone hybridé sp par exemple il y a :
- 2 orbitales p inchangées
- 2 orbitales sp, à 50% de s et 50% de p.

Donc, pas question d'utiliser "3 orbitales s". Ca n'a pas de sens, puisqu'elle n'existent pas.

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

Donc, ma question est: sans observation et juste avec le nom de la molécule, comment je peux savoir qu'un des atomes dans une molécule a des orbitales qui ont été hybridées ? Les atomes s'hybrident-ils tous lorsqu'ils se lient ? ou bien certains s'hybrident, d'autres pas et il faut connaitre par cœur la liste des atomes qui s’hybrident lorsqu'ils se lient (A moins qu'il y ait un moyen de les reconnaitre)?

Les orbitales pleines ont des interactions répulsives entre-elles, ce qui fait qu'une molécule est plus stable si les angles entre les liaisons et/ou les doublets non liants sont tous les plus grand possibles.
Imaginons une molécule de méthane sans l'hybridation, les trois liaisons sigma entre les pi du carbone et les s de 3 hydrogènes formeraient des angles de 90°C deux à deux et la 4e liaison (celle faite avec l'orbitale s restante) se disposera en formant un angle de 135° avec chacune des 3 autres liaisons pour être le plus loin possible à cause de la répulsion. On peut pourtant faire mieux pour disposer les 4 liaisons de façons à ce qu'elles soient toutes à angles égaux les unes des autres (l'angle de 109° de la géométrie tétraédrique) : il faut que les orbitales atomiques s'hybrident pour former 4 nouvelles orbitales atomiques disposées de façon à ce que les angles entres-elles (et donc entre les liaisons) soit de 109°, c'est l'hybridation sp3.
En toute généralité, un atome entouré de 4 doublets (qu'ils soient impliqués dans des liaisons ou non liants) sans liaisons multiples adoptera cette géométrie tétraédrique afin de minimiser les interactions entre orbitales pleines. C'est le cas pour le carbone tétravalent simplement lié donc, mais aussi pour l'azote (trois liaisons et un doublet), l'oxygène (2 liaisons+2 doublets), le fluor (1 liaison + 3 doublets) etc...
Si il y a moins de doublets ou que des liaisons multiples sont présentes, la géométrie sera différente mais toujours de façon à minimiser les interactions entre doublets. Par exemple le bore trivalent à 3 doublets dans des liaisons et c'est tout (il y a une lacune électronique, c'est à dire une orbitale vide), il ne s'hybride donc pas en sp3 mais en sp2 (angle de 120° entre chaque liaison) pour minimiser la répulsion entre les 3 orbitales pleines.
Je t'invite à te renseigner sur la théorie VSEPR qui permet de trouver la géométrie des liaisons que forme un atome en fonction du nombre de liaisons et de doublets non liants. C'est grâce à elle qu'on peut deviner quelle sera l'hybridation.

Petite remarque finale, un atome n'est jamais tout à fait sp3 ou sp2 ou sp ou non hybridé, il existe en fait une infinité de combinaisons linéaires des orbitales atomiques qui permettent d'avoir toutes les variantes possibles. Par exemple dans le méthane les angles sont tous de 109° parce que les 4 liaisons sont identiques (considérations de symétries) mais dans d'autres molécules les angles entre les liaisons d'un carbone tétraédrique ne sont pas exactement de 109° (même si elles en sont généralement assez proches) : des groupements différents mènent à des liaisons de forces différentes donc des densités électroniques différentes et donc des répulsions différentes, certaines des liaisons se repousseront un peu plus que d'autres.

m@ch3

[amateurisme]

Sethy:"Donc, pas question d'utiliser "3 orbitales s". Ca n'a pas de sens, puisqu'elle n'existent pas. "
Voilà ce que j'avais dit:
"donc, si par exemple, on me demande quels types d'orbitales moléculaires sont présents dans NH3, j'aurais dit que les orbitales moléculaires proviennent du recouvrement de 3 orbitales p et 3 orbitales s."

Les 3 orbitales s dont je parlais étaient celles celles qui appartenaient aux 3 H.
Néanmoins, je te remercie pour ton rappel très intéressant.

mach3: si j'ai bien compris, l'hybridation est nécessaire pour avoir une structure plus stable . Y a t-il des exemples ou l'atome n'a pas besoin d'hybrider ses orbitales pour que les électrons de ses 4 orbitales sur la couche de valence soient les plus éloignés les uns des autres ou bien, c'est impossible et tous les atomes s'hybrident pour cela ?

[mach3]

si j'ai bien compris, l'hybridation est nécessaire pour avoir une structure plus stable . Y a t-il des exemples ou l'atome n'a pas besoin d'hybrider ses orbitales pour que les électrons de ses 4 orbitales sur la couche de valence soient les plus éloignés les uns des autres ou bien, c'est impossible et tous les atomes s'hybrident pour cela ?

Je ne trouve pas d'exemple de composé covalent ou il n'y aurait pas d'hybridation, mais je manque peut-être d'imagination. La question ne se pose pas pour les composés ioniques.

Après il faut bien comprendre que tout ça c'est effectif, les orbitales hybrides "n'existent pas" au sens ou on ne trouvera jamais un atome isolé avec une hybridation donnée (l'atome isolé sera dans une superposition d'états). Et si l'atome n'est pas isolé, il n'a pas d'orbitales atomiques hybrides mais il a des orbitales moléculaires qu'il partage avec ses voisins. L'atome avec des orbitales hybrides n'est qu'un état "virtuel" entre l'atome isolé et l'atome lié. C'est juste un outil pour comprendre le fait que la géométrie des molécules ne respecte pas celles qu'on obtiendrait a priori à partir du recouvrement des orbitales atomiques de base : ces orbitales atomiques pouvant se combiner tels des vecteurs (d'ailleurs c'en sont...) elles n'imposent en fait aucune géométrie. La géométrie c'est l'interaction répulsive entre paires d'électron qui l'impose.

m@ch3

[moco]

Il faut tout de même se rappeler que l'hybridation n'est JAMAIS nécessaire. Elle a été introduite par Pauling pour se simplifier la vie, lorsqu'on désire décrire la structure des molécules en combinant des orbitales atomiques de manière à ce que leurs lobes soient dirigées dans la direction du noyau voisin. Les 4 orbitales sp3 de l'atome de Carbone sont dirigées toutes dans la direction d'un noyau d'atome H. C'est très pratique graphiquement parlant.

Mais il faut aussi savoir que l'hybridation n'est pas une nécessité. Il y a des scientifiques qui refusent cette notion d'hybridation, et qui ont développé des calculs pour décrire la structurer de CH4 avec un atome C pourvu de deux orbitales 2s et deux orbitales 2p. Le tout se lie à 4 orbitales 1s de 4 atomes H. On arrive aussi à une géométrie tétraédrique. mais ce n'est pas facile à dessiner le tout dans l'espace.

Et il existe des structures où aucune hybridation n'est capable d'expliquer la géométrie. C'est le cas du cyclopropane par exemple, ou les époxydes. Quelle que soit l'hybridation ou l'absence d'hybridation envisagé, on doit imaginer des liaisons obtenues par recouvrement d'orbitales atomiques qui ne sont pas dans le prolongement les unes des autres. Ce prolongement n'est pas essentiel. Cela va mieux quand les orbitales sont alignées sur le même axe. Mais cela va aussi si elles ne le sont pas. L'important est qu'elles se recouvrent.