Structure Électronique des Atomes

Cette fiche de révision aborde la structure électronique des atomes, un concept fondamental en chimie quantique.

1. Localisation des Électrons dans l'Atome

• Les électrons se trouvent dans des couches électroniques (niveaux d'énergie) autour du noyau.
• Chaque couche est divisée en sous-couches (s, p, d, f).
• Dans chaque sous-couche, les électrons sont regroupés par paires dans des orbitales atomiques (O.A.).
• Une orbitale atomique est une solution d'une fonction d'onde décrivant mathématiquement le mouvement des électrons et indique la région de l'espace où l'électron évolue la majeure partie du temps (95%).

2. Nombres Quantiques

L'état quantique d'un électron est décrit par quatre nombres quantiques :

• n (nombre quantique principal) :
  • Entier positif (n ≥ 1).
  • Définit l'énergie de l'électron et la couche électronique (K, L, M, N...).
• ℓ (nombre quantique secondaire ou azimutal) :
  • Entier de 0 à (n-1).
  • Définit la forme géométrique de l'O.A. et le nom de la sous-couche (0=s, 1=p, 2=d, 3=f).
• m_ℓ (nombre quantique magnétique) :
  • Entier de -ℓ à +ℓ (y compris 0).
  • Définit l'orientation spatiale de l'O.A. et le nombre de cases quantiques (logettes) au sein d'une sous-couche.
  • Une case quantique contient au maximum 2 électrons.
• s (nombre quantique de spin) :
  • Prend les valeurs +1/2 (↑) ou -1/2 (↓).
  • Décrit la rotation de l'électron sur lui-même.

Résumé des sous-couches et électrons max :

3. Configuration Électronique

La configuration électronique est la répartition des électrons d'un atome dans ses différentes couches et sous-couches d'énergie (O.A.). L'état fondamental correspond à la configuration de plus basse énergie.

Règles de Remplissage des O.A. (pour l'état fondamental) :

• Règle #1 : Principe de Stabilité
  • Les électrons occupent les O.A. par ordre croissant d'énergie, dans la limite des places disponibles.
• Règle #2 : Règle de Klechkowski
  • Règle empirique qui indique l'ordre de remplissage des O.A. par énergie croissante :
    1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p
• Règle #3 : Principe d'Exclusion de Pauli
  • Deux électrons au sein d'un même atome ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques identiques.
  • Si deux électrons sont dans la même O.A. (mêmes n, ℓ, m_ℓ), ils doivent différer par leur spin (un ↑, l'autre ↓).
  • Une case quantique contient au maximum 2 électrons, obligatoirement appariés (spins anti-parallèles).
• Règle #4 : Règle de Hund
  • À l'état fondamental, quand les électrons se placent dans des O.A. de même énergie (ex: 2p, 3d), ils occupent le maximum de cases quantiques avec des électrons célibataires (spins parallèles) avant de s'apparier.

Exemples de Configuration Électronique :

• Sodium (Na, Z=11) : 1s²2s²2p⁶3s¹
• Chlore (Cl, Z=17) : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

4. Électrons de Valence et Électrons de Cœur

• Électrons de valence :
  • Électrons les moins énergétiquement liés au noyau, les plus faciles à mobiliser pour former des ions ou des liaisons.
  • Ce sont les électrons qui ont la valeur de n la plus élevée dans la configuration électronique.
  • Si une O.A. (n_max - 1) n'est pas saturée, elle contient aussi des électrons de valence (ex: Mn: 4s²3d⁵, les 4s et 3d sont de valence).
• Électrons de cœur :
  • Électrons les plus énergétiquement liés au noyau.
  • Ils ne sont pas impliqués dans la formation d'ions ou de molécules (sauf H et He).
  • Ce sont les électrons qui ne sont pas de valence.

5. Configuration Électronique des Ions

Pour établir la configuration électronique d'un ion :

1. Établir la configuration électronique de l'atome neutre.
2. Repérer les électrons de valence de l'atome neutre.
3. Si c'est un cation (+) : Retirer des électrons parmi les électrons de valence (ceux de la couche d'énergie la plus éloignée, n le plus grand, sont retirés en premier).
4. Si c'est un anion (-) : Ajouter des électrons dans les O.A. de valence.

Exemples :

• O^2- (O, Z=8) :
  • O (neutre) : 1s²2s²2p⁴
  • O^2- : 1s²2s²2p⁶ (ajout de 2 électrons dans la sous-couche 2p)
• Fe²⁺ (Fe, Z=26) :
  • Fe (neutre) : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶
  • Fe²⁺ : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s⁰3d⁶ (retrait des 2 électrons 4s car n=4 est la couche la plus éloignée)