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Les orbitales atomiques du deuxième nombre quantique d’un atome de carbone s’hybrident pour former des orbitales hybrides sp3. Quel énoncé décrit correctement le niveau d’énergie des orbitales hybrides sp3 résultantes ? (A) Les orbitales hybrides sp3 sont au même niveau d'énergie que les orbitales 2p d'origine. (B) Les orbitales hybrides sp3 sont au même niveau d'énergie que l'orbitale 2s d'origine. (C) Les orbitales hybrides sp3 sont à un niveau d'énergie plus élevé que les orbitales 2p d'origine. (D) Les orbitales hybrides sp3 sont à un niveau d'énergie inférieur à celui de l'orbitale 2s d'origine. (E) Les orbitales hybrides sp3 se trouvent à un niveau d'énergie situé entre l'orbitale 2s d'origine et les orbitales 2p.
Dans cette question, on nous demande de décrire le niveau d’énergie des orbitales hybrides sp3 dans un atome de carbone hybridé par rapport aux orbitales atomiques dans un atome de carbone non hybridé. Lorsque l'on fait référence aux orbitales dans un nombre quantique, c'est le nombre quantique principal qui est impliqué. Donc, ici, 𝑛 est égal à deux. C'est le deuxième niveau d'énergie d'un atome de carbone. Libérons un peu d'espace pour voir cela visuellement.
Un atome de carbone un numéro atomique Z de six. Cela nous indique qu'un atome de carbone possède six protons dans son noyau. Puisque le nombre de protons est égal au nombre d’électrons dans un atome neutre, il y a six électrons dans un atome de carbone. Ces six électrons sont répartis dans les différents niveaux d'énergie, ou nombres quantiques, comme suit.
Dans la première couche ou le premier nombre quantique, il y a deux électrons. Et dans la deuxième couche ou nombre quantique, il y a quatre électrons. Les deux électrons de la première couche ont la plus faible énergie. Plus précisément, on les trouve dans une orbitale s. Les orbitales s sont de forme sphérique. Les quatre électrons du deuxième niveau d’énergie, ou deuxième nombre quantique, sont répartis entre l’orbitale 2s et les orbitales 2p. L’énergie de l’orbitale 2s est inférieure à celle des orbitales 2p. L'orbitale 2s contient deux électrons, et cette orbitale est de forme sphérique. Les deux électrons restants sont non appariés et se trouvent dans deux des orbitales 2p, qui sont en forme d'haltères. Les orbitales sont polarisées dans le plan, chacune autour d'un des trois axes de coordonnées cartésiennes.
Il serait raisonnable de suggérer que les orbitales 2s et 2p interagissent différemment lors de la liaison avec d’autres atomes. Mais ce n’est pas du tout le cas. Ce qui se passe, c'est que l'un des électrons 2s est promu à une orbitale 2p. Ensuite, ces quatre orbitales, l’orbitale 2s et les trois orbitales 2p, se mélangent. On dit que les orbitales s'hybrident.
L'hybridation est le mélange d'orbitales atomiques pour former de nouvelles orbitales hybrides, qui peuvent ensuite subir un appariement d'électrons lors de la formation de liaisons chimiques. Le mélange d'une orbitale s avec trois orbitales p forme quatre orbitales sp3 équivalentes. Ces orbitales hybrides ont toutes la même forme et la même énergie. Et leur niveau d’énergie se situe quelque part entre les énergies de l’orbitale atomique 2s et des orbitales atomiques 2p dont elles proviennent.
On nous a demandé de comparer l’énergie des orbitales hybrides sp3 avec les orbitales atomiques dont elles proviennent. Revenons à nos réponses. Nous pouvons donc en déduire que l’énoncé décrivant correctement le niveau d’énergie des orbitales hybrides sp3 résultantes est (E). Les orbitales hybrides sp3 se trouvent à un niveau d'énergie situé entre l'orbitale 2s d'origine et les orbitales 2p.
