classification périodique des

∈ , 0 n – 1.

••m est appelé nombre quantique magnétique. C’est un entier relatif compris entre – et + :

m ∈∈ , – m + .

••m_sest appelé nombre quantique magnétique de spin.

Pour un électron, m_speut prendre deux valeurs seulement : m_s= + ou m_s= – .

◗ ÉNERGIE D’UN ATOME

•

• Les électrons d’un atome se répartissent sur des niveaux d’énergie caractérisés par le doublet (n, ).

Ces niveaux sont repérés par des notations systématiques comme l’indique le tableau ci-après.

12 12

Structure électronique de l’atome et

classification périodique des éléments

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RAPPELS DE COURS

Chaque niveau d’énergie de doublet (n, ) correspond à 2 + 1 orbitales atomiques, notées O.A.

Chaque orbitale atomique est caractérisée par le triplet (n, , m ). Elle est associée à un niveau d’énergie orbitalaire.

Lorsqu’à un même niveau d’énergie correspondent plusieurs orbitales atomiques, ce niveau d’é-nergie est dit dégénéré. C’est le cas des niveaux np, nd et nf.

• L’état d’un électron dans un atome est décrit par une orbitale atomique, associée à un niveau d’énergie orbitalaire, et par un état de spin, correspondant à l’une des deux valeurs ou – du nombre quantique magnétique de spin.

On peut représenter schématiquement cet état (doc. 1).

Ainsi, pour un électron décrit par le quadruplet n, 0, 0, + , la flèche est orientée vers le haut pour m_s= et vers le bas pour m_s= – .

• L’énergie électronique d’un atome est la somme des énergies de ses différents électrons ; elle ne peut prendre que certaines valeurs bien déterminées : elle est quantifiée.

• L’état de plus basse énergie d’un atome est son état fondamental : c’est l’état le plus stable.

Les états d’énergie supérieure sont dit excités.

• Cas particulier de l’atome d’hydrogène

Cet atome est constitué d’un noyau et d’un unique électron. Les différents niveaux d’énergie électronique de cet atome ne dépendent que du nombre quantique principal :

E_n= – avec E = 13,6 eV.

La désexcitation d’un atome d’un niveau d’énergie E_qvers un niveau d’énergie E_ns’accompagne de l’émission d’un photon de fréquenceν_q→net de longueur d’onde dans le videλ_q→ntelle que (doc. 2) :

h .νν_q→→n= = E_q– E_n où h est la constante de Planck : h = 6,626 . 10^{– 34}J . s

et c la célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 . 10⁸m . s^{– 1}. Soit avecσ_q→nle nombre d’onde correspondant :

σσ_q→→n= = = R_H. – où R_Hest la constante de Rydberg.

Les différentes raies d’émission obtenues sont groupées en série. L’ensemble des radiations cor-respondant à toutes les désexcitations vers un niveau de nombre quantique n constitue une série.

Selon leur fréquence ou leur longueur d’onde dans le vide, les radiations appartiennent à diffé-rents domaines des ondes électromagnétiques (doc. 3).

1 q² 1 n² E_q– E_n

c . h 1

λλ_q→→n

λλ_qh.c_→n E n²

1 2

12 1

2

12 12

doublet (n, ) (n, 0) (n, 1) (n, 2) (n, 3)

niveau d’énergie ns np nd nf

nombre d’orbitales atomiques 1 3 5 7

Doc. 1 E ns

Doc. 2 E_q

E_n

De la même façon, seront absorbées les radiations de longueur d’onde dans le videλ_n→qtelle que (doc. 4) :

h .νν_n→→q= = E_q– E_n

provoquant ainsi l’excitation de l’atome d’hydrogène de niveau E_nvers le niveau E_q.

◗ CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE D’UN ATOME OU D’UN ION

• Établir la configuration électronique d’un atome ou d’un ion monoatomique dans un état donné consiste à indiquer la répartition, dans cet état, de ses électrons dans les différents niveaux d’énergie, ou sous-couches, 1s, 2s, 2p, … le nombre d’électrons dans chaque sous-couche étant noté en exposant.

Le principe de Pauli et la règle de Klechkowski permettent d’établir la configuration électronique d’un atome dans son état fondamental, c’est-à-dire le plus stable.

La règle de Hund permet de prévoir la répartition des électrons dans les sous-couches non satu-rées correspondant à l’état fondamental.

• Principe de Pauli :

Dans un édifice monoatomique, deux électrons ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques identiques.

Une orbitale atomique ne peut décrire au maximum que deux électrons.

Ainsi, une sous-couche ns contient au maximum deux électrons, une sous-couche np en contient six au maximum, une sous-couche nd dix et une sous-couche nf quatorze.

• Règle de Klechkowski :

Dans un atome polyélectronique, ou dans un anion, l’ordre de remplissage des sous-couches, caractérisées par le doublet (n, ) est celui pour lequel la somme (n + ) croît.

Quand deux sous-couches différentes ont la même valeur pour la somme (n + ), la sous-couche qui est occupée en premier est celle dont le nombre quantique principal n est le plus petit.

• Règle de Hund :

Quand un niveau d’énergie est dégénéré et que le nombre d’électrons n’est pas suffisant pour saturer ce niveau, l’état de plus basse énergie est obtenu en utilisant le maximum d’orbitales atomiques, les spins des électrons non appariés étant parallèles.

• Pour établir la configuration électronique d’un anion monoatomique dans son état fondamental, on procède comme pour un atome.

• Pour établir la configuration électronique d’un cation monoatomique dans son état fondamental, on part de la configuration électronique de l’atome correspondant dans son état fondamental et on arrache les électrons de la dernière sous-couche occupée, sauf pour les atomes des blocs d ou f pour lesquels ce sont les électrons de la sous-couche s occupée de nombre quantique principal le plus élevé qui sont arrachés en premier.

λλh .c_n→→q Doc. 3

rayonsγ rayons X

ultraviolet visible

infrarouge radar, ondes radio micro-ondes

10^–15 10^–12 10^–9 10^–6 10^–3 1 10³

3. 10²³ 3. 10²⁰ 3. 10¹⁷ 3. 10¹⁴ 3. 10¹¹ 3. 10⁸ 3. 10⁵

1 GeV 1 MeV 1 keV 1 eV 1 meV 1μeV 1 neV

(m) λ v(Hz)

Doc. 4 E_q

E_n

• On appelle élément de transition, un élément caractérisé par une sous-couche (n – 1)d, ou (n – 2)f, incomplètement remplie à l’état atomique ou dans un état d’oxydation stable (état dans lequel l’atome a formellement perdu des électrons).

• Les électrons de valence sont ceux dont le nombre quantique principal est le plus élevé ou ceux qui appartiennent à des sous-couches en cours de remplissage. Les électrons de l’atome qui ne sont pas des électrons de valence sont des électrons de cœur.

• Un atome, un ion ou un édifice polyatomique qui possède des électrons célibataires, c’est-à-dire non appariés, est paramagnétique ; dans le cas contraire, il est diamagnétique.