Les bases de la liaison chimique: Nombres Quantiques et Configuration Électronique des Atomes

L'existence de niveaux énergétiques quantifiés signifie que les électrons dans un atome ne peuvent occuper que des valeurs d'énergie spécifiques et discrètes, et non un continuum d'énergies. Les transitions entre ces niveaux se font par absorption ou émission de quanta d'énergie.

Les valeurs possibles du nombre quantique de spin s sont +1/2 ou -1/2.

Le nombre quantique principal n est un nombre entier (n ≥ 1) qui définit le niveau d'énergie principal de l'électron (lié à sa distance par rapport au noyau) et la couche électronique (K, L, M...).

L'électron est soumis à deux forces principales autour du noyau :

• La force centrifuge
• L'interaction électrostatique avec le noyau

Une couche électronique de nombre quantique principal n peut accueillir un maximum de 2n² électrons.

L'énergie (E) d'un photon est directement proportionnelle à sa fréquence (ν) et inversement proportionnelle à sa longueur d'onde (λ). Les relations sont :
E = hν
E = hc/λ
où h est la constante de Planck et c est la vitesse de la lumière.

La règle de Hund stipule que pour des orbitales de même énergie (même valeur de l), les électrons occupent d'abord chaque orbitale individuellement avec des spins parallèles (électrons célibataires) avant de s'apparier avec un deuxième électron de spin opposé.

La configuration électronique des cations est obtenue en retirant les électrons des orbitales avec n le plus élevé.

Le scientifique associé à l'invention du tableau périodique est Dimitri Ivanovitch Mendeleïev.

C'est l'énergie qu'il faut fournir à un atome neutre pour lui arracher un électron (énergie de 1^ère ionisation).

Les éléments d'une même période (ligne horizontale) dans le tableau périodique ont le même nombre quantique principal (n).

Le nombre quantique magnétique m définit l'orientation du moment angulaire orbital de l'électron. Ses valeurs possibles sont des nombres entiers compris entre -l et +l, c'est-à-dire m = -l, ..., -1, 0, 1, ..., +l.

La règle de Klechkowski établit l'ordre de remplissage des orbitales atomiques (OA) pour les électrons d'un atome à l'état fondamental :
1. Les OA sont remplies par ordre croissant de la somme des nombres quantiques principal et secondaire (n+l).
2. Si deux OA ont la même valeur de (n+l), celle avec la plus petite valeur de n est remplie en premier.

Selon la théorie classique, l'électron devrait perdre continuellement de l'énergie en rayonnant, ce qui le ferait retomber sur le noyau et entraînerait l'émission d'un spectre continu. Or, l'expérience montre que les atomes émettent un spectre discontinu (spectre de raies).

Une orbitale atomique est une fonction mathématique qui décrit le comportement ondulatoire d'un électron (ou d'une paire d'électrons) dans un atome. Elle représente la densité de probabilité de présence de cet électron dans une région donnée autour du noyau.

Les éléments d'un même groupe (colonne) dans le tableau périodique partagent des propriétés chimiques analogues. Cela est dû au fait qu'ils possèdent la même configuration électronique externe (couche de valence).

Le principe d'exclusion de Pauli stipule que deux électrons d'un même atome ne peuvent avoir les quatre mêmes nombres quantiques (n, l, m, s). Dans une orbitale atomique, seuls deux électrons peuvent exister au maximum, chacun avec une valeur de spin différente (s = +1/2 ou s = -1/2).

Le Fluor (F) est l'élément le plus électronégatif (avec une électronégativité voisine de 4).

le long d'une période (ligne), l'énergie d'ionisation augmente. Le long d'une colonne, l'énergie d'ionisation diminue.

L'équation de Schrödinger permet de décrire l'évolution de l'électron dans le temps de manière probabiliste, en déterminant sa densité de probabilité de présence et ses niveaux d'énergie. Sa résolution conduit à la détermination des orbitales atomiques, qui décrivent le comportement de l'électron (énergie, probabilité de présence dans l'espace).

Le nombre quantique secondaire l (ou azimutal) est un nombre entier qui définit les sous-couches électroniques (s, p, d, f...) et la géométrie des orbitales. Il correspond au moment angulaire orbital de l'électron. Ses valeurs possibles sont comprises entre 0 et n – 1 (0 ≤ l ≤ n – 1).

Le long d'une période (ligne), le rayon atomique diminue car la charge nucléaire effective augmente, attirant davantage les électrons. Le long d'une colonne, le rayon atomique augmente car le nombre de couches électroniques augmente, éloignant les électrons du noyau.

La représentation de Lewis pour un atome illustre uniquement les électrons de valence (ceux des orbitales s et p les plus externes) sous forme de points (électrons célibataires) ou de paires de points (doublets d'électrons). Ce sont ces électrons qui participent aux liaisons chimiques.

L'électronégativité est la capacité d'un atome à attirer les électrons d'une liaison chimique vers lui.

Les quatre nombres quantiques décrivant un électron dans une orbitale atomique sont :

• Le nombre quantique principal n : définit le niveau d'énergie principal (n ≥ 1).
• Le nombre quantique secondaire ou azimutal l : définit la sous-couche et la géométrie de l'orbitale (0 ≤ l ≤ n-1).
• Le nombre quantique magnétique m : définit l'orientation de l'orbitale (-l ≤ m ≤ +l).
• Le nombre quantique magnétique de spin s : décrit l'orientation du moment magnétique intrinsèque de l'électron (s = +1/2 ou -1/2).

Les électrons de valence sont les électrons situés sur les couches atomiques les plus externes d'un atome. Ce sont eux qui déterminent les propriétés chimiques et la réactivité de l'atome.

Un spectre de raies révèle que les atomes excités émettent de l'énergie sous forme de radiations de fréquences spécifiques et discontinues. Cela démontre l'existence de niveaux d'énergie quantifiés et distincts au sein de l'atome, et que les électrons passent d'un état d'énergie à un autre.