Générateur de diagramme d'orbitales
Des diagrammes d'orbitales en cases quantiques pour tout élément ou ion, de l'oxygène au fer et à Fe³⁺ : cases dans l'ordre de remplissage, flèches selon la règle de Hund, configuration électronique dessous. Pour les cours de chimie.
Diagramme d'orbitales : exemples
Quatre diagrammes d'orbitales : l'oxygène et ses deux électrons 2p non appariés, le fer et ses quatre électrons 3d non appariés, le chrome avec son remplissage attendu et réel l'un au-dessus de l'autre, et un diagramme simple de l'azote qui illustre la règle de Hund. Chaque image vient du prompt affiché avec elle : en choisir une place ce prompt exact dans le champ ci-dessus.
Tracer un diagramme d'orbitales : le soufre, étape par étape
La figure annotée montre le soufre, 16 électrons, l'énergie croissant vers le haut. Les quatre mêmes gestes donnent le diagramme d'orbitales de n'importe quel atome.
- 1
Compter les électrons
Le numéro atomique du soufre est 16, donc 16 flèches ; pour un ion, ajouter ou retirer la charge.
- 2
Remplir dans l'ordre de Klechkowski
1s, 2s, 2p, 3s, 3p de bas en haut, deux flèches opposées par case (Pauli).
- 3
Répartir d'abord les électrons 3p
Une flèche dans chaque case 3p, puis la quatrième s'apparie dans la première case (règle de Hund).
- 4
Écrire la configuration
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴, ou [Ne] 3s² 3p⁴, avec 2 électrons non appariés.
![Exception du diagramme d'orbitales du chrome : attendu [Ar] 4s2 3d4 avec quatre électrons non appariés, réel [Ar] 4s1 3d5 avec six](/imgs/examples/topic-diagrams/orbital-diagram-3.webp)
Pourquoi le diagramme d'orbitales du chrome déroge à l'ordre de remplissage
L'ordre de remplissage prévoit [Ar] 4s² 3d⁴ pour le chrome. L'état fondamental mesuré fait monter un électron et laisse les deux sous-couches à moitié pleines.
- 1
Attendu : 4 non appariés
4s contient une paire et quatre des cinq cases 3d une flèche chacune ; la cinquième reste vide.
- 2
Réel : 6 non appariés
Un électron 4s rejoint 3d : [Ar] 4s¹ 3d⁵, les six flèches seules et parallèles.
- 3
Le cuivre fait de même
[Ar] 4s¹ 3d¹⁰ au lieu de 4s² 3d⁹ : une sous-couche 3d pleine l'emporte sur une case 4s pleine.
Les diagrammes d'orbitales élément par élément, avec le diagramme de Klechkowski
Les diagrammes par élément les plus recherchés, regroupés là où le motif des flèches se répète. Chaque entrée donne le nombre d'électrons, les cases, la place des flèches et le nombre d'électrons non appariés.
Diagramme d'orbitales de l'hydrogène, de l'hélium, du lithium et du béryllium
Les plus petits diagrammes, et l'endroit où montrer le principe de Pauli. Hydrogène (1) : 1s¹, une flèche vers le haut dans une case. Hélium (2) : 1s², une flèche vers le haut et une vers le bas dans la même case. Lithium (3) : 1s² 2s¹, premier atome avec une deuxième couche, 1 non apparié. Béryllium (4) : 1s² 2s², toutes les flèches appariées.
Diagramme d'orbitales de l'azote
7 électrons : 1s² 2s² 2p³. Des paires en 1s et 2s, puis une flèche vers le haut dans chacune des trois cases 2p, sans appariement, car la règle de Hund remplit d'abord chaque case d'une sous-couche par un seul électron. 3 électrons non appariés : la sous-couche 2p à moitié pleine explique que la première énergie d'ionisation de l'azote soit supérieure à celle de l'oxygène.
Diagramme d'orbitales de l'oxygène
8 électrons : 1s² 2s² 2p⁴. Le quatrième électron 2p doit s'apparier : la première case 2p contient ↑↓ et les deux autres une flèche chacune, soit 2 électrons non appariés. La répulsion dans cette case appariée explique que l'oxygène perde un électron plus facilement que l'azote.
Diagramme d'orbitales du carbone
6 électrons : 1s² 2s² 2p². Les deux électrons 2p occupent des cases distinctes avec des spins parallèles, 2 non appariés, jamais appariés dans une même case. Un diagramme qui fait passer un électron 2s en 2p pour obtenir quatre flèches seules montre l'état excité du carbone, dessiné pour expliquer l'hybridation sp³, et non son diagramme d'orbitales à l'état fondamental.
Diagramme d'orbitales du bore, de l'aluminium et du silicium
Bore (5) : 1s² 2s² 2p¹, une flèche dans la première case 2p et deux cases 2p vides. Aluminium (13) : [Ne] 3s² 3p¹, le même motif une période plus bas. Silicium (14) : [Ne] 3s² 3p², deux flèches 3p seules, comme le carbone. Dessinez aussi les cases p vides : une sous-couche p compte trois cases, remplies ou non.
Diagramme d'orbitales du soufre et du phosphore
Une période sous l'oxygène et l'azote, avec le même motif externe après un cœur de néon complet. Phosphore (15) : [Ne] 3s² 3p³, trois flèches 3p seules, 3 non appariés. Soufre (16) : [Ne] 3s² 3p⁴, une paire 3p et deux flèches seules, 2 non appariés. Le diagramme complet montre en dessous les dix électrons de cœur en 1s, 2s et 2p.
Diagramme d'orbitales du chlore, du fluor et du brome
Il manque aux halogènes un électron pour compléter la sous-couche p, ns² np⁵. Fluor (9) : 1s² 2s² 2p⁵. Chlore (17) : [Ne] 3s² 3p⁵. Brome (35) : [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵, avec une sous-couche 3d pleine dessinée entre 4s et 4p. Dans chaque cas, deux cases p contiennent une paire et la troisième une flèche : 1 électron non apparié.
Diagramme d'orbitales du sodium, du magnésium, du potassium et du calcium
Sodium (11) : [Ne] 3s¹, une flèche en 3s. Magnésium (12) : [Ne] 3s², appariés, aucun électron non apparié. Potassium (19) : [Ar] 4s¹ et calcium (20) : [Ar] 4s². Aucun des deux n'a de cases 3d : 4s reste sous 3d jusqu'au scandium, donc le 19ᵉ électron va en 4s et non en 3d.
Diagramme d'orbitales du fer
26 électrons : [Ar] 4s² 3d⁶. 4s est apparié ; dans les cinq cases 3d, les cinq premiers électrons se placent un par case et le sixième s'apparie dans la première : 4 électrons non appariés, d'où le paramagnétisme des atomes de fer. Fe²⁺ est [Ar] 3d⁶, les deux électrons 4s partis en premier, toujours 4 non appariés ; Fe³⁺ est [Ar] 3d⁵, une flèche dans chaque case 3d, 5 non appariés.
Diagramme d'orbitales du chrome et du cuivre
Les deux exceptions de la première série de transition. Chrome (24) : [Ar] 4s¹ 3d⁵, et non 4s² 3d⁴, six flèches seules. Cuivre (29) : [Ar] 4s¹ 3d¹⁰, et non 4s² 3d⁹, une sous-couche 3d pleine et 1 électron non apparié. Nommez l'exception et elle est dessinée telle que mesurée ; demandez l'attendu et le réel ensemble et vous obtenez les deux lignes de l'exemple du chrome ci-dessus.
Diagramme d'orbitales du titane, du manganèse, du cobalt, du nickel et du zinc
Une fois 4s rempli, les cases 3d reçoivent une flèche chacune avant toute paire. Titane (22) : [Ar] 4s² 3d², 2 non appariés. Manganèse (25) : [Ar] 4s² 3d⁵, 5 non appariés. Cobalt (27) : [Ar] 4s² 3d⁷, 3 non appariés. Nickel (28) : [Ar] 4s² 3d⁸, 2 non appariés. Zinc (30) : [Ar] 4s² 3d¹⁰, aucun, le zinc est donc diamagnétique.
Diagramme d'orbitales du néon et de l'argon
Les gaz nobles remplissent toutes leurs cases. Néon (10) : 1s² 2s² 2p⁶, cinq cases et dix flèches appariées. Argon (18) : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, neuf cases, toutes appariées. Sans électron non apparié, les deux sont diamagnétiques, et leurs configurations deviennent les cœurs [Ne] et [Ar] qui ouvrent les diagrammes abrégés des éléments suivants.
Diagramme de Klechkowski (ordre de remplissage)
Non pas un atome, mais l'ordre dans lequel tout atome se remplit : les sous-couches écrites en lignes par couche (1s ; 2s 2p ; 3s 3p 3d ; 4s 4p 4d 4f …) et barrées de flèches diagonales qui donnent 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. Il traduit la règle n + l (règle de Klechkowski ou de Madelung) : le plus petit n + l se remplit d'abord et, à égalité, le plus petit n, donc 4s (4 + 0) passe avant 3d (3 + 2).
Diagramme énergétique des orbitales
Les mêmes cases empilées le long d'un axe d'énergie au lieu d'être alignées, comme dans la figure du soufre ci-dessus : chaque sous-couche à sa propre hauteur, les trois cases p ou les cinq cases d côte à côte sur un même niveau parce qu'elles sont dégénérées. C'est la version qui montre pourquoi 4s se trouve sous 3d dans le potassium, et l'écart entre la dernière sous-couche occupée et la première vide.
Remplissage des orbitales et électrons non appariés, de l'hydrogène au brome
Configurations à l'état fondamental telles que les donnent les manuels de chimie générale, avec les flèches de la dernière sous-couche remplie (□ est une case vide). Le nombre d'électrons non appariés est le nombre de flèches seules dans tout le diagramme.
| Élément | Électrons | Configuration abrégée | Cases de la dernière sous-couche | Électrons non appariés |
|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1s¹ | 1s: ↑ | 1 |
| He | 2 | 1s² | 1s: ↑↓ | 0 |
| Li | 3 | [He] 2s¹ | 2s: ↑ | 1 |
| B | 5 | [He] 2s² 2p¹ | 2p: ↑ □ □ | 1 |
| C | 6 | [He] 2s² 2p² | 2p: ↑ ↑ □ | 2 |
| N | 7 | [He] 2s² 2p³ | 2p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| O | 8 | [He] 2s² 2p⁴ | 2p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| F | 9 | [He] 2s² 2p⁵ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ne | 10 | [He] 2s² 2p⁶ | 2p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| Na | 11 | [Ne] 3s¹ | 3s: ↑ | 1 |
| Mg | 12 | [Ne] 3s² | 3s: ↑↓ | 0 |
| Al | 13 | [Ne] 3s² 3p¹ | 3p: ↑ □ □ | 1 |
| Si | 14 | [Ne] 3s² 3p² | 3p: ↑ ↑ □ | 2 |
| P | 15 | [Ne] 3s² 3p³ | 3p: ↑ ↑ ↑ | 3 |
| S | 16 | [Ne] 3s² 3p⁴ | 3p: ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cl | 17 | [Ne] 3s² 3p⁵ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
| Ar | 18 | [Ne] 3s² 3p⁶ | 3p: ↑↓ ↑↓ ↑↓ | 0 |
| K | 19 | [Ar] 4s¹ | 4s: ↑ | 1 |
| Ca | 20 | [Ar] 4s² | 4s: ↑↓ | 0 |
| Ti | 22 | [Ar] 4s² 3d² | 3d: ↑ ↑ □ □ □ | 2 |
| Cr | 24 | [Ar] 4s¹ 3d⁵ (exception) | 4s: ↑, 3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 6 |
| Mn | 25 | [Ar] 4s² 3d⁵ | 3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ | 5 |
| Fe | 26 | [Ar] 4s² 3d⁶ | 3d: ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ | 4 |
| Co | 27 | [Ar] 4s² 3d⁷ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ | 3 |
| Ni | 28 | [Ar] 4s² 3d⁸ | 3d: ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ | 2 |
| Cu | 29 | [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ (exception) | 4s: ↑, 3d: cinq paires | 1 |
| Zn | 30 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ | 3d: cinq paires | 0 |
| Br | 35 | [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ | 4p: ↑↓ ↑↓ ↑ | 1 |
Du scandium au zinc, la 3d se remplit après la 4s, et seuls le chrome et le cuivre sortent du rang. Le scandium ([Ar] 4s² 3d¹, 1 non apparié) et le vanadium ([Ar] 4s² 3d³, 3 non appariés) suivent le motif. Pour un cation, retirez d'abord les électrons du n le plus élevé : Cu⁺ et Zn²⁺ sont tous deux [Ar] 3d¹⁰.
Diagramme d'orbitales, configuration électronique et modèle de Bohr
Les trois décrivent les mêmes électrons. La configuration électronique les écrit sur une ligne de texte (1s² 2s² 2p⁴), le diagramme d'orbitales dessine chaque orbitale avec ses flèches, et le modèle de Bohr ne dessine que les couches en anneaux, sans sous-couches ni spin. La représentation en cases quantiques est la forme en cases et flèches, et la plupart des cours l'emploient comme autre nom du diagramme d'orbitales.
| Diagramme d'orbitales | Configuration électronique | Modèle de Bohr | |
|---|---|---|---|
| Ce qu'il montre | Chaque orbitale en case, chaque électron en flèche | Les sous-couches avec le nombre d'électrons en exposant | Les couches en anneaux, les électrons en points |
| Oxygène | 1s ↑↓, 2s ↑↓, 2p ↑↓ ↑ ↑ | 1s² 2s² 2p⁴, ou [He] 2s² 2p⁴ | 2 points sur le premier anneau, 6 sur le second |
| Spin | Montré par les flèches vers le haut et vers le bas | Non montré | Non montré |
| Électrons non appariés | Compter les flèches seules | Déduits avec la règle de Hund | Illisibles |
| Sous-couches (s, p, d) | Groupes de 1, 3 et 5 cases | Écrites 1s, 2p, 3d … | Aucune, seulement des couches |
| Face à un diagramme d'OM | Un seul atome ; un diagramme d'OM place les orbitales de deux atomes dans ses colonnes extérieures et les combine | Les molécules ont à la place des configurations d'OM, écrites σ2s² σ*2s² … | Pas d'équivalent moléculaire |
Dessinez le diagramme d'orbitales quand la question porte sur le spin ou le magnétisme. « Combien d'électrons non appariés possède le fer ? » demande les cinq cases 3d dessinées ; « Quelle est la configuration électronique du fer ? » ne demande que [Ar] 4s² 3d⁶.
Qu'est-ce qu'un diagramme d'orbitales ?
Un diagramme d'orbitales (aussi appelé représentation en cases quantiques ou diagramme de remplissage) montre où se trouvent les électrons d'un atome : une case ou un trait par orbitale, regroupés en sous-couches (1s, 2s, 2p, 3s …) dans l'ordre de remplissage, chaque électron dessiné comme une demi-flèche dont le sens représente son spin. Il porte le même décompte que la configuration électronique, 1s² 2s² 2p⁴ pour l'oxygène, plus ce que la configuration ne dit pas : quelles orbitales contiennent une paire et lesquelles un électron seul, non apparié.
Points clés
- Trois règles placent chaque flèche. Klechkowski (principe de construction) : remplir d'abord la sous-couche de plus basse énergie. Pauli : au plus deux électrons par orbitale, de spins opposés. Hund : dans un ensemble d'orbitales de même énergie, un électron va dans chacune avant tout appariement, tous de même spin.
- 4s se remplit avant 3d, et se vide avant elle aussi. Le potassium et le calcium placent leurs électrons externes en 4s, et le scandium commence la 3d. Quand un métal de transition forme un cation, il perd d'abord ses électrons 4s : Fe est [Ar] 4s² 3d⁶, Fe²⁺ est [Ar] 3d⁶.
- Les sous-couches s, p, d et f ont 1, 3, 5 et 7 orbitales. Une sous-couche s contient donc 2 électrons, p 6, d 10 et f 14, et c'est pourquoi les blocs du tableau périodique font 2, 6, 10 et 14 éléments de large.
- Les électrons non appariés rendent un atome paramagnétique. Comptez les flèches seules : l'azote en a 3, l'oxygène 2, le fer 4, le chrome 6. Un atome dont toutes les flèches sont appariées, comme le néon ou le zinc, est diamagnétique.
- Le chrome et le cuivre dérogent à l'ordre simple. Cr est [Ar] 4s¹ 3d⁵ et Cu [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ : une sous-couche 3d à moitié ou complètement remplie a une énergie plus basse que la configuration prévue par l'ordre de remplissage. Le molybdène et l'argent, juste en dessous, font de même avec 5s et 4d.
Questions sur les diagrammes d'orbitales
Comment dessiner un diagramme d'orbitales ?
Comptez les électrons, dessinez les sous-couches dans l'ordre de remplissage (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d …) avec une case par orbitale, et remplissez les cases de bas en haut : deux flèches opposées par case, et une flèche dans chaque case d'une sous-couche p ou d avant que l'une d'elles ne s'apparie. Arrêtez-vous quand le nombre de flèches égale le numéro atomique, écrivez la configuration dessous et comptez les flèches seules pour obtenir les électrons non appariés.
Qu'est-ce que la représentation en cases quantiques ?
C'est la configuration électronique dessinée sous forme de cases ou de traits, un par orbitale et marqué de sa sous-couche, chaque électron étant une flèche vers le haut ou vers le bas. L'oxygène en cases quantiques s'écrit 1s ↑↓, 2s ↑↓, 2p ↑↓ ↑ ↑. Les manuels qui emploient ce terme réservent « configuration électronique » ou « notation spdf » à la forme écrite, 1s² 2s² 2p⁴.
Quelle est la différence entre un diagramme d'orbitales et une configuration électronique ?
La configuration électronique dit combien d'électrons contient chaque sous-couche ; le diagramme d'orbitales montre en plus comment ils s'y répartissent. Les deux donnent 2p⁴ pour l'oxygène, mais seul le diagramme montre une orbitale 2p appariée et deux contenant un électron seul, ce qui explique les 2 électrons non appariés de l'oxygène.
Qu'est-ce que le diagramme de Klechkowski ?
C'est le tableau de l'ordre de remplissage des sous-couches : les sous-couches écrites en lignes par couche et barrées de flèches diagonales, lues 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s et ainsi de suite. Il suit la règle n + l. C'est l'outil qui sert à construire un diagramme d'orbitales, pas le diagramme d'un atome en particulier.
Pourquoi 4s se remplit-elle avant 3d ?
Parce que, pour le potassium et le calcium, 4s est plus basse en énergie que 3d : son n + l vaut 4, contre 5 pour 3d. Une fois que 3d commence à se remplir, à partir du scandium, les orbitales 3d passent sous 4s, et c'est pourquoi les cations des métaux de transition perdent d'abord leurs électrons 4s : Fe²⁺ est [Ar] 3d⁶, et non [Ar] 4s² 3d⁴.
Pourquoi le chrome et le cuivre sont-ils des exceptions ?
Une sous-couche 3d à moitié ou complètement remplie est plus stable que la configuration prévue par l'ordre de remplissage, si bien qu'un électron 4s passe en 3d. Le chrome est [Ar] 4s¹ 3d⁵ au lieu de 4s² 3d⁴, et le cuivre [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ au lieu de 4s² 3d⁹. Les énergies de 4s et 3d y sont si proches que la stabilité supplémentaire des spins 3d parallèles fait pencher la balance.
Combien d'électrons non appariés possède le fer ?
Quatre. Le fer est [Ar] 4s² 3d⁶ : 4s est appariée, et des six électrons 3d, les cinq premiers vont dans des cases séparées et le sixième s'apparie avec l'un d'eux, ce qui laisse quatre flèches seules. Fe³⁺, [Ar] 3d⁵, en a cinq, un dans chaque case 3d.
Comment dessiner le diagramme d'orbitales d'un ion ?
Partez du diagramme de l'atome neutre et ajoutez ou retirez des flèches selon la charge. Les anions placent les électrons supplémentaires dans la prochaine case libre : Cl⁻ est [Ne] 3s² 3p⁶. Les cations les perdent d'abord du n le plus élevé, donc les métaux de transition perdent 4s avant 3d : Fe³⁺ est [Ar] 3d⁵, cinq flèches seules et pas de case 4s.
Que montre un diagramme d'orbitales des électrons de valence ?
Seulement la couche externe : les cases s et p du n le plus élevé, le cœur étant écrit sous forme de symbole de gaz noble. Pour le soufre, c'est [Ne] suivi de 3s ↑↓ et 3p ↑↓ ↑ ↑, ses 6 électrons de valence dont 2 non appariés. Pour les métaux de transition, on dessine généralement aussi les cases 3d, car ces électrons participent aux liaisons.
Pourquoi les deux flèches d'une même case sont-elles opposées ?
C'est le principe d'exclusion de Pauli : deux électrons d'une même orbitale doivent avoir des spins opposés, +½ et −½, dessinés comme une flèche vers le haut et une vers le bas. Aucune orbitale ne peut accueillir un troisième électron, donc une case ne contient jamais plus de deux flèches.
Sources
- 5.17: Hund's Rule and Orbital Filling Diagrams, Introductory Chemistry (CK-12) — LibreTexts
- Orbital Diagrams, General Chemistry — Chemistry Steps
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