Introduction
La mécanique quantique offre un modèle précis de l'atome, où les électrons occupent des zones probabilistes autour du noyau, décrites par des orbitales atomiques. La compréhension de ces orbitales et de la configuration électronique est essentielle pour interpréter les propriétés chimiques des éléments. Cet article explore en détail les cases quantiques, leur lien avec les orbitales atomiques et leur rôle dans la définition de la couche de valence.
Les Fondements de la Mécanique Quantique et l'Électron
Comme les autres particules élémentaires, l'électron est soumis aux lois de la mécanique quantique et peut avoir un comportement décrit suivant les situations comme corpusculaire ou comme ondulatoire. En pratique, l'état quantique d'un électron particulier est décrit par une fonction d'onde traduisant la probabilité pour l'électron en question de se trouver dans un espace donné. La connaissance de la répartition des électrons dans les différentes orbitales, conjointement à la connaissance de leurs spins permet de définir des spins-orbitales. La connaissance de la configuration électronique donne accès à des énergies associées, et permet par exemple une interprétation de l'évolution des propriétés des atomes dans la classification périodique des éléments.
Orbitales Atomiques et Moléculaires : Une Description Probabiliste
Dans le modèle quantique de l'atome (respectivement de la molécule), les électrons n'orbitent pas autour du noyau de manière définie comme dans le modèle planétaire de Rutherford. Au lieu de cela, ils occupent des régions de l'espace de manière probabiliste. Une fonction mathématique, appelée orbitale atomique (ou orbitale moléculaire pour les molécules), décrit cette probabilité.
Les Nombres Quantiques : Définir l'État d'un Électron
L'état d'un électron dans un atome est décrit par quatre nombres quantiques :
Nombre quantique principal (n) : Un entier naturel non nul qui détermine le niveau d'énergie de l'électron.
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Nombre quantique secondaire ou azimutal (l) : Un entier compris entre 0 et n-1, lié au moment angulaire de l'orbitale et à sa forme.
Nombre quantique magnétique (ml ou m) : Un entier compris entre -l et l, lié à la projection du moment angulaire sur un axe spécifique et à l'orientation spatiale de l'orbitale.
Nombre quantique de spin (ms ou s) : Prend les valeurs -1/2 ou 1/2, représentant le spin intrinsèque de l'électron.
Orbitales Atomiques et Cases Quantiques : Une Correspondance Directe
Une orbitale atomique correspond à un triplet (n, l, m) donné, ce triplet définissant la nature géométrique de l'orbitale. Du point de vue quantique, ce triplet correspond également à une case quantique. L'état d'un électron dans une orbitale est alors défini par son nombre quantique de spin s.
Les Différents Types d'Orbitales Atomiques
La valeur du nombre quantique secondaire (l) détermine le type d'orbitale :
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- l = 0 : Orbitale de type s (sharp), notée ns. Elle peut contenir au maximum 2 électrons. Les OA de type 's' ont des symétries sphériques.
- l = 1 : Orbitale de type p (principal), notée np. Elle peut contenir au maximum 6 électrons. si l = 1, il peut y avoir 3 valeurs de ml (-1, 0 ou 1). Il y a donc 3 OA possibles sur chaque sous-niveau d'énergie où l = 1. On parle d'OA de type 'p'. Les 3 OA correspondantes pointeront dans 3 directions différentes dans l'espace : px, py et pz. Ces 3 orbitales ont la même énergie, elles sont dites dégénérées.
- l = 2 : Orbitale de type d (diffuse), notée nd. Elle peut contenir au maximum 10 électrons. si l = 2, on aura lors 5 valeurs de m possibles (-2, -1, 0, 1 ou 2). On parlera d'OA de type dxy, dyz, dxz , dx²-y², et dz². Ces 5 orbitales sont aussi dégénérées.
- l = 3 : Orbitale de type f (fundamental), notée nf. Elle peut contenir au maximum 14 électrons.
- l = 4 : Orbitale de type g, notée ng. Elle pourrait contenir un maximum de 18 électrons.
Les noms s, p, d et f de ces orbitales proviennent d'un système de catégorisation à partir des raies spectrales fondées sur l'observation de leur structure fine, d'où les qualificatifs sharp, principal, diffuse et fundamental.
Configuration Électronique et Remplissage des Orbitales
Afin de répartir tous les électrons d'un atome dans les différentes orbitales atomiques, celles-ci sont classées par énergie croissante et les électrons sont répartis prioritairement dans les orbitales d'énergie les plus faibles. En première approche l'énergie d'une orbitale est déterminée par le doublet (n, l) et est croissante avec la somme (n+l). La configuration électronique est intimement liée à la structure de la table périodique.
Règles de Remplissage des Orbitales Atomiques
Les OA sont classées par valeur croissante de la somme de leur nombre quantique n et l :
- Pour 2 OA ayant une valeur de 'n+l' identique, celle ayant le n le plus faible sera privilégiée, il en découle la hiérarchie suivante : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d ….
Exceptions dans la Configuration Électronique
Les exceptions concernent surtout les OA de type d :
- Les configurations du Chrome (Z = 24) et du cuivre (Z = 29) se finissent en 4s13d5 pour le chrome et 4s1 3d10 pour le cuivre. Les configurations se finissant par 4s² 3d5 ou 4s² 3d9 ne sont jamais rencontrées.
- Le remplissage total des OA de type ‘d' (d10) leur confère une grande stabilité, les faisant alors passer AVANT les orbitales ‘s'. On écrira par exemple 1s22s22p63s23p63d104s2.
- Les cations formés à partir d'atomes dont les configurations se finissent par 4s²3dx ou 5s²4dx , etc, voient leur électrons des OA ‘s' arrachés AVANT ceux des OA de type d.
Principe d'Exclusion de Pauli
Les électrons ne peuvent pas partager exactement les 4 mêmes nombres quantiques.
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- Pour chaque valeur de l = 0 (OA de type 's'), on ne trouvera qu'une case quantique et elle ne contiendra que 2 électrons au maximum
- Pour chaque valeur de l = 1 (OA de type ‘p'), on trouvera 3 cases quantiques (px, py et pz), qui contiendront chacune 2 électrons au maximum, soit 6 (3*2) électrons au maximum pour un niveau 'p'
- On trouvera 10 (5*2) électrons au maximum pour un niveau 'd'
- On trouvera 14 électrons au maximum pour un niveau 'f'
Règle de Hund
Les électrons occupent les cases quantiques avec des valeurs de spin qui vont maximiser la valeur du spin total.
- Ceci signifie que l'on va disposer un maximum d'électrons avec des valeurs spin qu'on dira 'parallèles', (dans le même sens) sans violer le principe de Pauli. Lorsque toutes les OA dégénérées comportent un électron, les autres électrons prennent alors des valeurs de spin opposés.
Notation Abrégée pour les Atomes
Pour les atomes ayant plusieurs couches électroniques totalement remplies, la notation peut devenir très longue. On peut alors abréger la notation en indiquant que la configuration des électrons de cœur (électrons d'une couche électronique totalement remplie, à l'exception des couches d ou f) ont une configuration identique à celle du gaz rare qui précède l'élément. Le phosphore, par exemple, ne diffère du néon (1s2 2s2 2p6) que par la présence d'une troisième couche. Une sous-couche à moitié remplie conduit à une configuration de spin maximal, ce qui lui confère une certaine stabilité en vertu de la règle de Hund. Un autre point remarquable concerne les sous-couches pleines.
Couches de Valence et de Cœur: Définitions
Les électrons de valence sont les électrons les plus périphériques d'un atome. Ces électrons sont dans des OA, qu'on appelle la couche de valence. Cette couche de valence est l'ensemble des OA qui, dans la configuration électronique, se trouvent à droite de la première OA portant le nombre quantique n le plus élevé. les électrons qui ne sont pas dans la couche de valence forment les couches de cœur.
- Raccourci d'écriture de la configuration électronique : Le raccourcis d'écriture implique les atomes suivants, qui ont en commun d'avoir totalement rempli leur orbitales de valence: 2He, 10Ne, 18Ar, 36Kr et 54Xe. Ceci permte de réduite la notation des électrons de cœur à la configuration électronique de l'atome qui correspond au bon nombre d'électrons : [X] = [Y] « électrons de valence », où Y est choisi parmi 2He, 10Ne, 18Ar, 36Kr et 54Xe
Correspondance avec la Structure de la Table Périodique
La configuration électronique est intimement liée à la structure de la table périodique.
Familles d'Éléments
- Éléments alcalins: Ils ont une configuration électronique de valence de type ' ns1 ', avec n ≥ 2. Ils correspondent à la première colonne du tableau périodique, à l'exception de l'atome d'hydrogène qui n'appartient pas à cette famille. Ils ont une faible énergie d'ionisation et une petite affinité électronique. Ils deviendront facilement des mono-cations (X+).
- Éléments alcalino-terreux: Ils ont une configuration électronique de valence de type 'ns²', avec n ≥ 2. Ils correspondent à la deuxième colonne du tableau périodique. Ils ont une 1re énergie d'ionisation assez élevée, mais en revanche un faible énergie de 2e ionisation ainsi qu'une petite affinité électronique. Ils deviendront facilement des di-cations (X2+).
- Éléments halogènes: Ils ont une configuration électronique de valence de type 'ns² np5', avec n ≥ 2. Ils correspondent à l'avant-dernière colonne du tableau périodique. Ils deviendront facilement des mono-anions (X-).
- Gaz rares ou gaz nobles: Ils ont une configuration électronique de valence de type 'ns² np6', avec n ≥ 1. L'hélium de configuration électronique [He] : 1s² appartient également à cette famille. Ils correspondent à la dernière colonne du tableau périodique. Ils ont déjà une couche de valence totalement remplie.
- Métaux de transition: Ils ont une configuration électronique de valence de type '(n+1)s² ndx ' , avec n ≥ 3. Ils appartiennent à la 3e, 4e et 5e ligne du tableau périodique.
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