Le mélange s-p
Dans un atome dont la figure de répulsion est linéaire, de type \(\textrm{AX}_2\) ou \(\textrm{AXE}\), le nuage électronique se trouve polarisé dans la direction des ligandes (par convention, on appelle cet axe \(\textrm Ox\)).
On peut décrire cette polarisation de façon approchée en faisant appel à deux nouvelles orbitales de valence appelées hybrides \(\textrm{sp}\) . Pour les éléments de la seconde ligne, les deux hybrides notées \(\textrm{sp}_1\) et \(\textrm{sp}_2\) sont simulées par des combinaisons linéaires normées de l' orbitale \(2\textrm s\) et de l'orbitale \(2\textrm p_x\). Elles remplacent les orbitales \(2\textrm s\) et \(2\textrm p_x\). On dit alors que l'atome est "hybridé \(\textrm{sp}\)".
On décrit mathématiquement ces hybrides par les combinaisons suivantes :
\(\mathbf{\textrm{sp}_1=\cos(\alpha).2\textrm s+\sin(\alpha).2\textrm p_x}\)
\(\mathbf{\textrm{sp}_2=\cos(\beta).2\textrm s+\sin(\beta).2\textrm p_x}\)
\(\alpha\) et \(\beta\) sont appelés angles d'hybridation. Les formules ci-dessus préservent la normalisation des hybrides. Les valeurs des angles d'hybridation dépendent des interactions en jeu dans et entre les atomes.
On a représenté ci-dessous la formation d'une orbitale hybride \(\textrm{sp}\) avec un angle de 45°. Dans ce cas, les coefficients des orbitales \(2\textrm s\) et \(2\textrm p_x\) sont identiques.
L'illustration représente des surfaces d'isodensité ; les couleurs rouge et bleue traduisent les signes que prennent les orbitales dans les différentes régions de l'espace. L'axe \(\textrm Ox\) est horizontal sur la figure.
Pour se rendre compte de l'influence de l'angle d'hybridation sur la forme des hybrides, on peut regarder les animations ci-dessous (clic !) dans lesquelles on a fait varier l'angle de 90° à 0°. On passe alors d'une orbitale \(2\textrm p\) pure à une orbitale \(2\textrm s\) pure par l'intermédiaire de formes hybrides.
Dans cette animation, on fait osciller l'angle d'hybridation entre 0 à 90 degrés de manière à montrer l'influence de la variation du mélange s-p sur la forme de l'hybride.
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A gauche, on a représenté l'évolution de courbes d'isodensités dans un plan passant par le noyau, en fonction de l'angle d'hybridation.
A droite, c'est une seule surface d'isodensité qui varie avec l'angle. Cette surface est constituée de deux lobes non équivalents. Les couleurs indiquent que l'orbitale possède une surface nodale qui sépare les domaines où elle est de signe positif et négatif.
Dans l'orbitale 2p, un plan nodal sépare les parties positive (rouge) et négative (bleue) ; dans l'orbitale 2s, une sphère nodale fait la séparation.
L'impression visuelle d'expulsion de la sphère bleue traduit la transformation de cet élément nodal lors du passage du caractère s au caractère p.
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La variation de l'angle d'hybridation permet de pouvoir décrire une orbitale dont le caractère \(\textrm s\) ou \(\textrm p\) est plus ou moins prononcé.