Explication d'une incohérence

[Bricklayer]

Bonsoir,

J'aimerais que vous répondiez à deux questions que je me pose s'il vous plaît.

Comment se fait-il que les électrons du carbone se réarrangent en s'hybridant en formant un tétrahèdre car ils se repoussent les uns avec les autres alors qu'une liaison covalente est une mise en commun de deux électrons qui ne se repoussent plus du tout, au contraire, sont attirés l'un avec l'autre ?

Dans un cas les deux charges négatives se repoussent, dans l'autre cas les deux charges négatives s'attirent.

Question subsidiaire : d'où vient l'exacte énergie du deuxième électron 2s qui passe en 2p lors de l'hybridation du carbone par exemple (en effet, un tout petit peu moins d'énergie et l'électron revient en 2s et un tout petit peu plus et il est arraché de l'orbite) ?

Merci bien,
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[Patzewiz]

Bonsoir,

Dans une liaison covalente les électrons ne sont pas attirés l'un par l'autre mais ils sont davantage attirés par les noyaux dans la molécule qu'ils ne le sont par ceux-ci dans les atomes séparés l'un de l'autre, il n'y a pas d'incohérence.

L'hybridation est un artifice (géométrique) de calcul, un état sp³ n'est pas un état propre du Hamiltonien du carbone, on ne peut lui attribuer une énergie contrairement aux états 2s et 2p.

[Bricklayer]

Merci de votre réponse. Mais je ne suis pas d'accord, voici pourquoi :

Du fait du recouvrement, les électrons sont localisés dans la même région, nous sommes d'accord, ils ne se repoussent plus ? Comment est-ce possible ? Pour le CH4 par exemple, comment les électrons du carbone peuvent-ils être "attirés" par l'hydrogène qui est neutre ?

Si l'hybridation est un "artifice (géométrique) de calcul", l'hybridation n'existe pas dans la nature, l'électron 2s ne va jamais en 2p du coup ?

[Sethy]

Les niveaux d'énergie des orbitales ne peuvent s'expliquer qu'en prenant en compte la répulsion inter-électronique. En effet, l'énergie de ces orbitales est supérieur à ce qu'elle serait (rappelons que ces énergies sont négatives) en raison de la répulsion.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Resartus]

Ce qui "existe" (si on peut le dire comme cela, s'agissant de meca Q), ce sont les solutions de l'équation de schrodinger complète, avec tous les noyaux et tous les électrons. Comme on ne savait pas la résoudre (sauf pour l'atome d'hydrogène ou hydrogénoides), on a eu recours à des modèles simplifiés : le fait de trouver par exemple les orbitales d'un atome à plusieurs électrons en remplissant les niveaux calculés pour l'hydrogène est déjà une approximation.

Quand on rapproche plusieurs atomes, un calcul simplifié peut être fait en supposant une faible interaction qui se superpose au modèle atomique. C'est ce qu'on appelle un calcul perturbatif. Cela conduit à trouver des solutions qui sont des mélanges (avec les bons coefficients) des solutions pour les atomes isolés.
Le modèle des liaisons de valence de pauling est une de ces approximations : pour expliquer la géometrie des liaisons autour de l'atome central, il conduit à supposer une hybridation de ses orbitales au niveau atomique avant la liaison avec les atomes voisins. On arrive ainsi à des notions de sp, sp2 sp3 (ou plus compliqué, d2sp3 ou sp3d2 pour certains métaux de transition), mais il oblige à supposer dans certains cas une excitation préalable (qui n'a aucun sens physique) pour faire monter les électrons au bon niveau avant hybridation

Comme ce modèle a atteint rapidement ses limites, on est passé ensuite au modèle des hybridations moléculaires (on mélange directement les orbitales atomiques de tous les atomes en présence). C'est assez facile pour des molécules biatomiques, mais cela devient vite assez complexe quand il y a plus de deux atomes, même si on peut simplifier le problème par l'étude des symétries de la molécule.

Pour aller encore au delà, on sait aujourd'hui, grâce aux progrès des ordinateurs, résoudre l'équation par des méthodes numériques,mais même là, on doit faire des approximations (chaque méthode a les siennes, adaptées aux problème à résoudre)