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 STRUCTURE ÉLECTRONIQUE DES ATOMES

Connaissances ... définir ... Les différents nombres quantiques ...

Les électrons se répartissent selon des règles bien définies et chaque électron peut être identifié de façon unique par quatre
nombres quantiques que l'on désigne par les lettres n, l, m et s :

Le nombre quantique principal, désigné par la lettre n est un entier positif :

• il définit le niveau d'une couche électronique (niveaux 1 à 7 de l'hydrogène au 118^ème élément mais 103 présentés dans la classification)
• il est associé aux périodes de la classification (pour le bloc s) : période 1 ou K ; période 2 ou L ; période 3 ou M ... 4 ou N ... 5 ou O …
• il permet de calculer le nombre maximum d’électrons contenus dans la couche n par le calcul de l'expression 2n²
 

Le nombre quantique azimutal, désigné par la lettre l est un entier positif :
• il définit la nature des orbitales, pour le niveau n, il prend (en théorie) les valeurs entières comprises entre 0 et n – 1
• on associe le chiffre :    l = 0      à l’orbitale s           l = 1      à l’orbitale p             l = 2      à l’orbitale d                 l = 3      à l’orbitale f

Le nombre quantique magnétique, désigné par la lettre m est un entier positif ou négatif compris entre - l et + l.
Il correspond à des orbitales de même type (s, p, d ou f) mais localisées différemment dans l’espace.

Par exemple, il y a trois orbitales p :      p_x, p_y et p_z        donc     l = 1      et      m est compris entre  ±1      soit      m = -1, 0 et +1

Les nombres quantiques n, l et m définissent une orbitale donnée, elle ne peut contenir que 2 électrons au maximum.

Le nombre quantique de spin, s est un moment angulaire et prend les valeurs + ½ et - ½.
Deux électrons d’une orbitale diffèrent uniquement par ce nombre quantique (Pauli).

La structure électronique des atomes est symbolisée par l’énumération des sous couches électroniques (s, p, d et f) par n croissant, précédées de leur niveau (n) et suivies du nombre d’électrons présents indiqués en exposant (voir "iutenligne" puis "Atomistique et liaison chimique).

Par exemple, la structure électronique du sodium s'écrit :         Na   1s²2s²2p⁶3s¹    
il s'agit du 11^ème élément, il possède 11 électrons = somme des exposants = 2 + 2 + 6 + 1 = 11

Il faut retenir que : le niveau 1 en compte 1 = la sous couche s unique qui est donc aussi la couche de valence
                               le niveau 2 en compte 2 = s et p
                               le niveau 3 en compte 3 = s, p et d
                               le niveau 4 en compte 4 = s, p, d et f
                               le niveau 5 en compte 5 = s, p, d, f et (g) mais la cinquième et au delà n'existe pas dans les éléments naturels
                               le niveau 6 en compte 6 (théoriquement) = s, p, d (f, g et h) sachant que la 6d ne contient que des éléments artificiels
                               le niveau 7 en compte 7 (théoriquement) = s, p (d, f, g, h et i) sachant que la 7p ne contient que des éléments artificiels
On peut retenir que la somme n + l est au maximum de 8 soit 5f (5+3), 6d (6+2) et 7p (7+1).

Pour plus de rapidité dans l’écriture de la structure électronique , on utilise la structure du gaz rare qui précède l’élément selon :

₁₁Na : 1s²2s²2p⁶3s¹        =       ₁₁Na :  (Ne) 3s¹

₅₆Ba : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰(4f⁰)5s²5p⁶6s²        =       ₅₆Ba :  (Xe) 6s²

Bien différencier une structure électronique (par n croissant) de l'ordre de remplissage (par énergie croissante = somme n + l croissante).
 

Rappel de la règle de Hund

Les électrons occupent un maximum d'orbitales de même énergie définies par le nombre quantique azimutal l avant de les compléter par un deuxième électron de spin opposé.
Par exemple, les orbitales p, se remplissent de l'électron 1 à l'électron 6 selon l'animation proposée sur les orbitales p ci-dessous.

Les différentes valeurs du nombre quantique m peuvent être retrouvées à l’aide des cases quantiques et l'on obtient également le nombre maximum d’électron par sous couche et donc par niveau :

On peut obtenir le nombre d'électrons par niveau :

niveau 1 = 1s = 2 e     ou    2n2 = 2 x 12 = 2 e	niveau 2 = 2s et 2p = 2 + 6 = 8 e     ou    2 x 22 = 8 e
niveau 3 = 3s, 3p et 3d = 2 + 6 + 10 = 18 e   ou  2 x 32 = 18 e	niveau 4 = 4s, 4p, 4d et 4f = 2 + 6 + 10 + 14 = 32 e  ou  2 x 42 = 32 e

Attention, le croisement des niveaux devra être pris en compte pour totaliser les électrons d'une période qui est différent du nombre d'électrons par niveau.