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PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
2013-2014 Architecture de la matiegravere
1
Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique
La compreacutehension des reacuteactions chimiques neacutecessite de connaicirctre la structure de la matiegravere
(atomes moleacutecules ions cristaux) Le composant de base de la matiegravere est lrsquoatome Nous
allons donc dans ce chapitre en eacutetudier la structure et voir une classification de lrsquoensemble des
atomes permettant une vision globale et rationnelle des atomes et de leurs proprieacuteteacutes
I- Lrsquoatome p 2
1- Deacutefinitions de base et ordre de grandeur p 2
2- Eleacutements chimiques et isotopes p 3
II- Quantification de lrsquoeacutenergie des atomes p 5
1- Onde eacutelectromagneacutetique absorption et eacutemission p 5
2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene p 8
3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes p 10
III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome p 12
1- Nombres quantiques p 12
2- Regravegles de remplissage des OA p 13
3- Applications particulariteacutes exceptions p 16
4- Electrons de cœur et de valence p 19
IV- Classification peacuteriodique p 20
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiev p 20
2- La structure du tableau actuel p 20
3- Remplissage du tableau p 21
4- Quelques familles p 22
a Les alcalins p 23
b Les halogegravenes p 23
a Les gaz nobles p 23
a Les eacuteleacutements de transition p 24
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
p 25
1- Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute p 25
2- Rayon atomique rayon ionique p 27
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes p 27
b Le modegravele de Slater atomes polyeacutelectroniques p 27
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I- Lrsquoatome
1- Deacutefinition de base et ordres de grandeurs
Lrsquoatome est neutre et est composeacute de
Z protons de charge +e et de masse mp = 1672610-27
kg
(A-Z) neutrons neutres de masse mn = 1674910-27
kg
Z eacutelectrons de charge -e et de masse me = 9109510-31
kg
Z est le nombre de charge
A est le nombre de masse
e est la charge eacuteleacutementaire valant 1610-19
C
La mole est la quantiteacute de matiegravere drsquoun systegraveme contenant autant drsquoentiteacutes eacuteleacutementaires
qursquoil y a drsquoatomes dans 12 g de carbone 12 Cela correspond au nombre drsquoAvogadro
NA = 60231023
On deacutefinit aussi le Faraday charge drsquoune mole de charges eacuteleacutementaires
23 191 602310 1610 96400AF N e C
Lrsquouniteacute de masse atomique (u) est la fraction 112 de la masse drsquoun atome de carbone 12
1 u = 12(12NA) = 1660610-27
kg
Crsquoest un peu moins que la masse drsquoun nucleacuteon seul du fait de la fameuse formule
drsquoEinstein E = mc2 justifiant lrsquoeacutenergie nucleacuteaire obtenue par fission des atomes lourds ou par
fusion des atomes leacutegers Lrsquoeacutenergie de coheacutesion des nucleacuteons dans le noyau correspond agrave une
perte de masse du systegraveme des nucleacuteons seacutepareacutes
Les nucleacuteons (protons et neutrons) forment le noyau de lrsquoatome dont le rayon est voisin de
10-14
m Les eacutelectrons gravitent autour du noyau dans des nuages eacutelectroniques et forment le
cortegravege eacutelectronique Le rayon moyen de lrsquoensemble est voisin de 10-10
m (1 angstroumlm) Les
atomes sont donc essentiellement constitueacutes de vide Pour srsquoen rendre compte si la Terre (RT
= 6400 km) eacutetait un noyau les limites de lrsquoatome correspondant seraient agrave environ 200 fois la
distance Terre Lune (d = 300 000 km) Le mouvement des eacutelectrons est indeacutetermineacute seule une
probabiliteacute de preacutesence est connue
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Les eacutelectrons (me = 9109510-31
kg) sont 1000 fois plus leacutegers que les nucleacuteons (m =
16710-27
kg) ainsi le mouvement des eacutelectrons a peu drsquoinfluence sur le mouvement du
noyau Par ailleurs pour le calcul de la masse drsquoun atome on ne tiendra compte que de la
masse du noyau
matome Z mp + (A-Z) mn + Z me Z mp + (A-Z) mn
matome A mp
Ceci explique lrsquoappellation nombre de masse pour A
De plus NAxmp 1 g donc la masse atomique molaire est agrave peu pregraves eacutegale agrave A en gmol-1
Puissances de 10 couramment utiliseacutees au niveau microscopique
le fermi (f) 10-15
le pico (p) 10-12
le nano (n) 10-9
le micro () 10-6
2- Eleacutements chimiques et isotopes
Z deacutefinit un eacuteleacutement chimique
A et Z deacutefinissent un nucleacuteiumlde
Deux nucleacuteides drsquoun mecircme eacuteleacutement chimique sont des isotopes
caracteacuteriseacutes par un mecircme Z et un A diffeacuterent
Un atome (nucleacuteide) est symboliseacute de la faccedilon suivante
XA
Z ougrave X est le symbole correspondant agrave lrsquoeacuteleacutement chimique
Il y a plus drsquoune centaine drsquoeacuteleacutements chimiques dont 92 sont naturels et environ 1500
nucleacuteiumldes dont 300 sont naturels Luranium est leacuteleacutement le plus lourd preacutesent sur Terre agrave
leacutetat naturel avec 92 protons
Pour lrsquoeacuteleacutement hydrogegravene il existe trois isotopes
1
1
2
1
3
1
H
H D
H T
Dans le cas particulier de lrsquoeacuteleacutement hydrogegravene il a eacuteteacute donneacute un nom propre agrave chaque
isotope le deuteacuterium pour lrsquohydrogegravene 2 non radioactif et le tritium pour lrsquohydrogegravene 3
radioactif
Pour les isotopes des autres eacuteleacutements il nrsquoy a pas de nom particulier et on utilise le nom de
lrsquoeacuteleacutement suivi du nombre de masse Par exemple pour lrsquoeacuteleacutement carbone lrsquoisotope le plus
courant est le carbone 12 mais il existe aussi le carbone 13 et le carbone 14 radioactif utiliseacute
pour la datation drsquoobjets preacutehistoriques
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Les proportions des isotopes dont la nature sont caracteacuteriseacutees par les fractions molaires
calculeacutee par rapport agrave leacuteleacutement et sont appeleacutees abondances isotopiques naturelles
H 99985 D 0015 T traces lt 10-4
12
C 9889 13
C 111 14
C traces 35
Cl 758 37
Cl 242
Lorsque le nombre de protons dans le noyau augmente la reacutepulsion eacutelectrostatique finit par
lemporter sur linteraction forte assurant la coheacutesion des nucleacuteons au sein du noyau La
stabiliteacute des noyaux lourds neacutecessite un ratio NZ plus grand que pour les noyaux plus leacutegers
On peut donc distinguer deux cateacutegories de noyaux
les noyaux stables qui correspondent agrave N = Z pour les noyaux leacutegers (Z lt 20) et agrave N ge Z
pour les autres noyaux
les noyaux instables radioactifs qui se transforment et tendent agrave revenir vers leur zone de
stabiliteacute
noyau leacuteger avec N gt Z eacutemission -
noyau leacuteger avec N lt Z eacutemission +
noyau lourd eacutemission
Plus le nombre des nucleacuteons est important plus lrsquoatome est consideacutereacute comme laquo lourd raquo
Au-delagrave de 92 protons les atomes sont geacuteneacuteralement tregraves instables et ne peuvent exister
que pendant des temps tregraves courts Cependant la theacuteorie preacutedit un laquo icirclot de stabiliteacute raquo pour
des atomes constitueacutes dun nombre de protons bien supeacuterieur agrave ceux de luranium Diffeacuterentes
expeacuteriences dans plusieurs pays cherchent agrave creacuteer des eacuteleacutements de plus en plus massifs pour
atteindre cet icirclot de stabiliteacute Leacuteleacutement le plus lourd syntheacutetiseacute agrave ce jour possegravede 118 protons
Les eacuteleacutements dits super-lourds (comportant plus de 110 protons) sont geacuteneacuteralement
formeacutes par reacuteactions de fusion entre deux noyaux plus leacutegers Une des principales difficulteacutes
rencontreacutees au cours de ces tentatives de synthegravese deacuteleacutements super-lourds provient de
lexcitation geacuteneacutereacutee ineacutevitablement lors de leur formation par fusion Or ces noyaux
deviennent extrecircmement instables lorsquils sont exciteacutes et fissionnent en deux noyaux plus
leacutegers bien avant datteindre un deacutetecteur qui permettrait leur observation directe Agrave cause de
cette grande instabiliteacute geacuteneacutereacutee lors de la fusion la possibiliteacute de former de tels noyaux par
cette meacutethode eacutetait jusquagrave preacutesent tregraves incertaine Une approche originale permettant de
mettre en eacutevidence lexistence de ces eacuteleacutements super-lourds et leur stabiliteacute a eacuteteacute deacuteveloppeacutee
au GANIL (Grand Acceacuteleacuterateur National drsquoIons Lourds (CEACNRS) France) dans le cadre
dune collaboration entre diffeacuterents laboratoires au lieu de deacutetecter le noyau composeacute
super-lourd cest le temps mis par ce noyau pour fissionner qui a eacuteteacute mesureacute
Des eacuteveacutenements de fission agrave des temps supeacuterieurs agrave 10-18
s (un milliardiegraveme de
milliardiegraveme de seconde) ont eacuteteacute observeacutes pour des noyaux constitueacutes de 120 et 124 protons
Ces noyaux ont eacuteteacute formeacutes par bombardement de cibles de nickel Ni et de germanium Ge par
des ions duranium U acceacuteleacutereacutes par le GANIL Ils ont eacuteteacute identifieacutes gracircce agrave Indra un
deacutetecteur de noyaux et particules chargeacutees couvrant quasiment tout lespace autour des
cibles Ce temps de 10-18
s est certes tregraves court mais agrave leacutechelle des temps de vie nucleacuteaires il
est suffisamment long pour signer sans ambiguiumlteacute la formation des eacuteleacutements de 120 et 124
protons et pour leur attribuer une grande stabiliteacute vis-agrave-vis de la fission lorsquils ne sont pas
exciteacutes Ces reacutesultats ouvrent des perspectives nouvelles dans la course aux eacuteleacutements super-
lourds et dans la localisation dun laquo icirclot de stabiliteacute raquo
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II- Quantification de lrsquoeacutenergie des atomes
Dire qursquoune grandeur est quantifieacutee signifie qursquoelle ne peut pas prendre toutes les
valeurs possibles mais seulement certaines Il peut tout de mecircme y avoir une infiniteacute de
valeurs permises mais dont la reacutepartition sera discregravete ou par bandes
1- Ondes eacutelectromagneacutetiques absorption et eacutemission
Les ondes eacutelectromagneacutetiques correspondent agrave un champ eacutelectrique et un champ magneacutetique
qui se propagent agrave travers lrsquoespace
Une onde lumineuse est une onde eacutelectromagneacutetique caracteacuteriseacutee par
sa longueur drsquoonde dans le vide 0
sa peacuteriode T ou sa freacutequence 1
T
La longueur drsquoonde dans le vide correspond agrave la peacuteriodiciteacute spatiale de lrsquoonde
eacutelectromagneacutetique quand elle se propage dans le vide Cela signifie qursquoagrave un instant donneacute
on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que lrsquoon se deacuteplace de cette longueur
drsquoonde dans le sens de propagation de lrsquoonde
La peacuteriode T correspond agrave la peacuteriodiciteacute temporelle de lrsquoonde eacutelectromagneacutetique Cela
signifie qursquoagrave un endroit donneacute on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que
lrsquoon attend un nombre entier de peacuteriode
On deacutefinit aussi la freacutequence qui est lrsquoinverse de la peacuteriode et srsquoexprime en Hertz (Hz)
Cette freacutequence est homogegravene agrave lrsquoinverse drsquoun temps et exprime le nombre de peacuteriodes se
produisant pendant une seconde
On a alors la relation 0
ccT
ougrave c est la ceacuteleacuteriteacute (vitesse) de la lumiegravere dans le vide
valant environ 300 000 kms-1
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En fonction de la longueur drsquoonde dans le vide on deacutefinit les diffeacuterents domaines des
ondes eacutelectromagneacutetiques
Le domaine du visible srsquoeacutetend environ de 400 nm (violet) agrave 770 nm (rouge)
On peut remarquer que le domaine des ondes eacutelectromagneacutetiques visibles est tregraves petit par
rapport aux domaines de toutes les ondes eacutelectromagneacutetiques allant des plus eacutenergeacutetiques
(rayons gamma et rayons X) aux moins eacutenergeacutetiques comme les ondes radio
La lumiegravere onde eacutelectromagneacutetique peut ecirctre aussi vue comme un faisceau de particules
sans masses appeleacutes photons En effet certains pheacutenomegravenes physiques srsquointerpregravetent agrave lrsquoaide
du modegravele ondulatoire comme les interfeacuterences et drsquoautres agrave lrsquoaide du modegravele corpusculaire
comme lrsquoeacutemission et lrsquoabsorption de photons par la matiegravere Crsquoest la dualiteacute onde-
corpuscule
Lrsquoeacutenergie correspondant agrave un photon (laquo grain drsquoeacutenergie raquo) est
E = h
Ougrave h = 66310-34
Js est la constante de Planck
Par exemple des photons de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm correspondent agrave une
eacutenergie
E = h = hc = 66310-34
x 3108 50010
-9 = 39810
-19 J
On deacutefinit alors une uniteacute eacutenergeacutetique adapteacutee agrave lrsquoatome
Lrsquoeacutelectron-volt (eV) est lrsquoeacutenergie eacutelectrostatique (qV) correspondant agrave une charge eacuteleacutementaire
e placeacutee au potentiel de 1 V donc
1 eV = 1610-19
J
Lrsquoeacutenergie du photon de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm est donc 249 eV
La dualiteacute onde-corpuscule srsquoapplique agrave tout corps
La longueur drsquoonde de de Broglie associeacutee agrave toute particule est
h
p
ougrave p est la quantiteacute de mouvement de cette particule
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Lrsquoeacutemission ou lrsquoabsorption de photons est reacutegies par un principe de conservation de
lrsquoeacutenergie agrave savoir que lrsquoeacutenergie du photon eacutemis ou absorbeacute par la matiegravere est exactement
eacutegale agrave la diffeacuterence drsquoeacutenergie entre les deux niveaux eacutenergeacutetiques entre lesquels la transition
a lieu
Dans le scheacutema ci-dessous on considegravere une transition entre deux niveaux En et Em drsquoun
constituant de la matiegravere (atome moleacutecule ion)
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2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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15
Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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16
Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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17
Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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2
I- Lrsquoatome
1- Deacutefinition de base et ordres de grandeurs
Lrsquoatome est neutre et est composeacute de
Z protons de charge +e et de masse mp = 1672610-27
kg
(A-Z) neutrons neutres de masse mn = 1674910-27
kg
Z eacutelectrons de charge -e et de masse me = 9109510-31
kg
Z est le nombre de charge
A est le nombre de masse
e est la charge eacuteleacutementaire valant 1610-19
C
La mole est la quantiteacute de matiegravere drsquoun systegraveme contenant autant drsquoentiteacutes eacuteleacutementaires
qursquoil y a drsquoatomes dans 12 g de carbone 12 Cela correspond au nombre drsquoAvogadro
NA = 60231023
On deacutefinit aussi le Faraday charge drsquoune mole de charges eacuteleacutementaires
23 191 602310 1610 96400AF N e C
Lrsquouniteacute de masse atomique (u) est la fraction 112 de la masse drsquoun atome de carbone 12
1 u = 12(12NA) = 1660610-27
kg
Crsquoest un peu moins que la masse drsquoun nucleacuteon seul du fait de la fameuse formule
drsquoEinstein E = mc2 justifiant lrsquoeacutenergie nucleacuteaire obtenue par fission des atomes lourds ou par
fusion des atomes leacutegers Lrsquoeacutenergie de coheacutesion des nucleacuteons dans le noyau correspond agrave une
perte de masse du systegraveme des nucleacuteons seacutepareacutes
Les nucleacuteons (protons et neutrons) forment le noyau de lrsquoatome dont le rayon est voisin de
10-14
m Les eacutelectrons gravitent autour du noyau dans des nuages eacutelectroniques et forment le
cortegravege eacutelectronique Le rayon moyen de lrsquoensemble est voisin de 10-10
m (1 angstroumlm) Les
atomes sont donc essentiellement constitueacutes de vide Pour srsquoen rendre compte si la Terre (RT
= 6400 km) eacutetait un noyau les limites de lrsquoatome correspondant seraient agrave environ 200 fois la
distance Terre Lune (d = 300 000 km) Le mouvement des eacutelectrons est indeacutetermineacute seule une
probabiliteacute de preacutesence est connue
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3
Les eacutelectrons (me = 9109510-31
kg) sont 1000 fois plus leacutegers que les nucleacuteons (m =
16710-27
kg) ainsi le mouvement des eacutelectrons a peu drsquoinfluence sur le mouvement du
noyau Par ailleurs pour le calcul de la masse drsquoun atome on ne tiendra compte que de la
masse du noyau
matome Z mp + (A-Z) mn + Z me Z mp + (A-Z) mn
matome A mp
Ceci explique lrsquoappellation nombre de masse pour A
De plus NAxmp 1 g donc la masse atomique molaire est agrave peu pregraves eacutegale agrave A en gmol-1
Puissances de 10 couramment utiliseacutees au niveau microscopique
le fermi (f) 10-15
le pico (p) 10-12
le nano (n) 10-9
le micro () 10-6
2- Eleacutements chimiques et isotopes
Z deacutefinit un eacuteleacutement chimique
A et Z deacutefinissent un nucleacuteiumlde
Deux nucleacuteides drsquoun mecircme eacuteleacutement chimique sont des isotopes
caracteacuteriseacutes par un mecircme Z et un A diffeacuterent
Un atome (nucleacuteide) est symboliseacute de la faccedilon suivante
XA
Z ougrave X est le symbole correspondant agrave lrsquoeacuteleacutement chimique
Il y a plus drsquoune centaine drsquoeacuteleacutements chimiques dont 92 sont naturels et environ 1500
nucleacuteiumldes dont 300 sont naturels Luranium est leacuteleacutement le plus lourd preacutesent sur Terre agrave
leacutetat naturel avec 92 protons
Pour lrsquoeacuteleacutement hydrogegravene il existe trois isotopes
1
1
2
1
3
1
H
H D
H T
Dans le cas particulier de lrsquoeacuteleacutement hydrogegravene il a eacuteteacute donneacute un nom propre agrave chaque
isotope le deuteacuterium pour lrsquohydrogegravene 2 non radioactif et le tritium pour lrsquohydrogegravene 3
radioactif
Pour les isotopes des autres eacuteleacutements il nrsquoy a pas de nom particulier et on utilise le nom de
lrsquoeacuteleacutement suivi du nombre de masse Par exemple pour lrsquoeacuteleacutement carbone lrsquoisotope le plus
courant est le carbone 12 mais il existe aussi le carbone 13 et le carbone 14 radioactif utiliseacute
pour la datation drsquoobjets preacutehistoriques
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4
Les proportions des isotopes dont la nature sont caracteacuteriseacutees par les fractions molaires
calculeacutee par rapport agrave leacuteleacutement et sont appeleacutees abondances isotopiques naturelles
H 99985 D 0015 T traces lt 10-4
12
C 9889 13
C 111 14
C traces 35
Cl 758 37
Cl 242
Lorsque le nombre de protons dans le noyau augmente la reacutepulsion eacutelectrostatique finit par
lemporter sur linteraction forte assurant la coheacutesion des nucleacuteons au sein du noyau La
stabiliteacute des noyaux lourds neacutecessite un ratio NZ plus grand que pour les noyaux plus leacutegers
On peut donc distinguer deux cateacutegories de noyaux
les noyaux stables qui correspondent agrave N = Z pour les noyaux leacutegers (Z lt 20) et agrave N ge Z
pour les autres noyaux
les noyaux instables radioactifs qui se transforment et tendent agrave revenir vers leur zone de
stabiliteacute
noyau leacuteger avec N gt Z eacutemission -
noyau leacuteger avec N lt Z eacutemission +
noyau lourd eacutemission
Plus le nombre des nucleacuteons est important plus lrsquoatome est consideacutereacute comme laquo lourd raquo
Au-delagrave de 92 protons les atomes sont geacuteneacuteralement tregraves instables et ne peuvent exister
que pendant des temps tregraves courts Cependant la theacuteorie preacutedit un laquo icirclot de stabiliteacute raquo pour
des atomes constitueacutes dun nombre de protons bien supeacuterieur agrave ceux de luranium Diffeacuterentes
expeacuteriences dans plusieurs pays cherchent agrave creacuteer des eacuteleacutements de plus en plus massifs pour
atteindre cet icirclot de stabiliteacute Leacuteleacutement le plus lourd syntheacutetiseacute agrave ce jour possegravede 118 protons
Les eacuteleacutements dits super-lourds (comportant plus de 110 protons) sont geacuteneacuteralement
formeacutes par reacuteactions de fusion entre deux noyaux plus leacutegers Une des principales difficulteacutes
rencontreacutees au cours de ces tentatives de synthegravese deacuteleacutements super-lourds provient de
lexcitation geacuteneacutereacutee ineacutevitablement lors de leur formation par fusion Or ces noyaux
deviennent extrecircmement instables lorsquils sont exciteacutes et fissionnent en deux noyaux plus
leacutegers bien avant datteindre un deacutetecteur qui permettrait leur observation directe Agrave cause de
cette grande instabiliteacute geacuteneacutereacutee lors de la fusion la possibiliteacute de former de tels noyaux par
cette meacutethode eacutetait jusquagrave preacutesent tregraves incertaine Une approche originale permettant de
mettre en eacutevidence lexistence de ces eacuteleacutements super-lourds et leur stabiliteacute a eacuteteacute deacuteveloppeacutee
au GANIL (Grand Acceacuteleacuterateur National drsquoIons Lourds (CEACNRS) France) dans le cadre
dune collaboration entre diffeacuterents laboratoires au lieu de deacutetecter le noyau composeacute
super-lourd cest le temps mis par ce noyau pour fissionner qui a eacuteteacute mesureacute
Des eacuteveacutenements de fission agrave des temps supeacuterieurs agrave 10-18
s (un milliardiegraveme de
milliardiegraveme de seconde) ont eacuteteacute observeacutes pour des noyaux constitueacutes de 120 et 124 protons
Ces noyaux ont eacuteteacute formeacutes par bombardement de cibles de nickel Ni et de germanium Ge par
des ions duranium U acceacuteleacutereacutes par le GANIL Ils ont eacuteteacute identifieacutes gracircce agrave Indra un
deacutetecteur de noyaux et particules chargeacutees couvrant quasiment tout lespace autour des
cibles Ce temps de 10-18
s est certes tregraves court mais agrave leacutechelle des temps de vie nucleacuteaires il
est suffisamment long pour signer sans ambiguiumlteacute la formation des eacuteleacutements de 120 et 124
protons et pour leur attribuer une grande stabiliteacute vis-agrave-vis de la fission lorsquils ne sont pas
exciteacutes Ces reacutesultats ouvrent des perspectives nouvelles dans la course aux eacuteleacutements super-
lourds et dans la localisation dun laquo icirclot de stabiliteacute raquo
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II- Quantification de lrsquoeacutenergie des atomes
Dire qursquoune grandeur est quantifieacutee signifie qursquoelle ne peut pas prendre toutes les
valeurs possibles mais seulement certaines Il peut tout de mecircme y avoir une infiniteacute de
valeurs permises mais dont la reacutepartition sera discregravete ou par bandes
1- Ondes eacutelectromagneacutetiques absorption et eacutemission
Les ondes eacutelectromagneacutetiques correspondent agrave un champ eacutelectrique et un champ magneacutetique
qui se propagent agrave travers lrsquoespace
Une onde lumineuse est une onde eacutelectromagneacutetique caracteacuteriseacutee par
sa longueur drsquoonde dans le vide 0
sa peacuteriode T ou sa freacutequence 1
T
La longueur drsquoonde dans le vide correspond agrave la peacuteriodiciteacute spatiale de lrsquoonde
eacutelectromagneacutetique quand elle se propage dans le vide Cela signifie qursquoagrave un instant donneacute
on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que lrsquoon se deacuteplace de cette longueur
drsquoonde dans le sens de propagation de lrsquoonde
La peacuteriode T correspond agrave la peacuteriodiciteacute temporelle de lrsquoonde eacutelectromagneacutetique Cela
signifie qursquoagrave un endroit donneacute on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que
lrsquoon attend un nombre entier de peacuteriode
On deacutefinit aussi la freacutequence qui est lrsquoinverse de la peacuteriode et srsquoexprime en Hertz (Hz)
Cette freacutequence est homogegravene agrave lrsquoinverse drsquoun temps et exprime le nombre de peacuteriodes se
produisant pendant une seconde
On a alors la relation 0
ccT
ougrave c est la ceacuteleacuteriteacute (vitesse) de la lumiegravere dans le vide
valant environ 300 000 kms-1
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En fonction de la longueur drsquoonde dans le vide on deacutefinit les diffeacuterents domaines des
ondes eacutelectromagneacutetiques
Le domaine du visible srsquoeacutetend environ de 400 nm (violet) agrave 770 nm (rouge)
On peut remarquer que le domaine des ondes eacutelectromagneacutetiques visibles est tregraves petit par
rapport aux domaines de toutes les ondes eacutelectromagneacutetiques allant des plus eacutenergeacutetiques
(rayons gamma et rayons X) aux moins eacutenergeacutetiques comme les ondes radio
La lumiegravere onde eacutelectromagneacutetique peut ecirctre aussi vue comme un faisceau de particules
sans masses appeleacutes photons En effet certains pheacutenomegravenes physiques srsquointerpregravetent agrave lrsquoaide
du modegravele ondulatoire comme les interfeacuterences et drsquoautres agrave lrsquoaide du modegravele corpusculaire
comme lrsquoeacutemission et lrsquoabsorption de photons par la matiegravere Crsquoest la dualiteacute onde-
corpuscule
Lrsquoeacutenergie correspondant agrave un photon (laquo grain drsquoeacutenergie raquo) est
E = h
Ougrave h = 66310-34
Js est la constante de Planck
Par exemple des photons de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm correspondent agrave une
eacutenergie
E = h = hc = 66310-34
x 3108 50010
-9 = 39810
-19 J
On deacutefinit alors une uniteacute eacutenergeacutetique adapteacutee agrave lrsquoatome
Lrsquoeacutelectron-volt (eV) est lrsquoeacutenergie eacutelectrostatique (qV) correspondant agrave une charge eacuteleacutementaire
e placeacutee au potentiel de 1 V donc
1 eV = 1610-19
J
Lrsquoeacutenergie du photon de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm est donc 249 eV
La dualiteacute onde-corpuscule srsquoapplique agrave tout corps
La longueur drsquoonde de de Broglie associeacutee agrave toute particule est
h
p
ougrave p est la quantiteacute de mouvement de cette particule
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Lrsquoeacutemission ou lrsquoabsorption de photons est reacutegies par un principe de conservation de
lrsquoeacutenergie agrave savoir que lrsquoeacutenergie du photon eacutemis ou absorbeacute par la matiegravere est exactement
eacutegale agrave la diffeacuterence drsquoeacutenergie entre les deux niveaux eacutenergeacutetiques entre lesquels la transition
a lieu
Dans le scheacutema ci-dessous on considegravere une transition entre deux niveaux En et Em drsquoun
constituant de la matiegravere (atome moleacutecule ion)
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2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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Les eacutelectrons (me = 9109510-31
kg) sont 1000 fois plus leacutegers que les nucleacuteons (m =
16710-27
kg) ainsi le mouvement des eacutelectrons a peu drsquoinfluence sur le mouvement du
noyau Par ailleurs pour le calcul de la masse drsquoun atome on ne tiendra compte que de la
masse du noyau
matome Z mp + (A-Z) mn + Z me Z mp + (A-Z) mn
matome A mp
Ceci explique lrsquoappellation nombre de masse pour A
De plus NAxmp 1 g donc la masse atomique molaire est agrave peu pregraves eacutegale agrave A en gmol-1
Puissances de 10 couramment utiliseacutees au niveau microscopique
le fermi (f) 10-15
le pico (p) 10-12
le nano (n) 10-9
le micro () 10-6
2- Eleacutements chimiques et isotopes
Z deacutefinit un eacuteleacutement chimique
A et Z deacutefinissent un nucleacuteiumlde
Deux nucleacuteides drsquoun mecircme eacuteleacutement chimique sont des isotopes
caracteacuteriseacutes par un mecircme Z et un A diffeacuterent
Un atome (nucleacuteide) est symboliseacute de la faccedilon suivante
XA
Z ougrave X est le symbole correspondant agrave lrsquoeacuteleacutement chimique
Il y a plus drsquoune centaine drsquoeacuteleacutements chimiques dont 92 sont naturels et environ 1500
nucleacuteiumldes dont 300 sont naturels Luranium est leacuteleacutement le plus lourd preacutesent sur Terre agrave
leacutetat naturel avec 92 protons
Pour lrsquoeacuteleacutement hydrogegravene il existe trois isotopes
1
1
2
1
3
1
H
H D
H T
Dans le cas particulier de lrsquoeacuteleacutement hydrogegravene il a eacuteteacute donneacute un nom propre agrave chaque
isotope le deuteacuterium pour lrsquohydrogegravene 2 non radioactif et le tritium pour lrsquohydrogegravene 3
radioactif
Pour les isotopes des autres eacuteleacutements il nrsquoy a pas de nom particulier et on utilise le nom de
lrsquoeacuteleacutement suivi du nombre de masse Par exemple pour lrsquoeacuteleacutement carbone lrsquoisotope le plus
courant est le carbone 12 mais il existe aussi le carbone 13 et le carbone 14 radioactif utiliseacute
pour la datation drsquoobjets preacutehistoriques
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Les proportions des isotopes dont la nature sont caracteacuteriseacutees par les fractions molaires
calculeacutee par rapport agrave leacuteleacutement et sont appeleacutees abondances isotopiques naturelles
H 99985 D 0015 T traces lt 10-4
12
C 9889 13
C 111 14
C traces 35
Cl 758 37
Cl 242
Lorsque le nombre de protons dans le noyau augmente la reacutepulsion eacutelectrostatique finit par
lemporter sur linteraction forte assurant la coheacutesion des nucleacuteons au sein du noyau La
stabiliteacute des noyaux lourds neacutecessite un ratio NZ plus grand que pour les noyaux plus leacutegers
On peut donc distinguer deux cateacutegories de noyaux
les noyaux stables qui correspondent agrave N = Z pour les noyaux leacutegers (Z lt 20) et agrave N ge Z
pour les autres noyaux
les noyaux instables radioactifs qui se transforment et tendent agrave revenir vers leur zone de
stabiliteacute
noyau leacuteger avec N gt Z eacutemission -
noyau leacuteger avec N lt Z eacutemission +
noyau lourd eacutemission
Plus le nombre des nucleacuteons est important plus lrsquoatome est consideacutereacute comme laquo lourd raquo
Au-delagrave de 92 protons les atomes sont geacuteneacuteralement tregraves instables et ne peuvent exister
que pendant des temps tregraves courts Cependant la theacuteorie preacutedit un laquo icirclot de stabiliteacute raquo pour
des atomes constitueacutes dun nombre de protons bien supeacuterieur agrave ceux de luranium Diffeacuterentes
expeacuteriences dans plusieurs pays cherchent agrave creacuteer des eacuteleacutements de plus en plus massifs pour
atteindre cet icirclot de stabiliteacute Leacuteleacutement le plus lourd syntheacutetiseacute agrave ce jour possegravede 118 protons
Les eacuteleacutements dits super-lourds (comportant plus de 110 protons) sont geacuteneacuteralement
formeacutes par reacuteactions de fusion entre deux noyaux plus leacutegers Une des principales difficulteacutes
rencontreacutees au cours de ces tentatives de synthegravese deacuteleacutements super-lourds provient de
lexcitation geacuteneacutereacutee ineacutevitablement lors de leur formation par fusion Or ces noyaux
deviennent extrecircmement instables lorsquils sont exciteacutes et fissionnent en deux noyaux plus
leacutegers bien avant datteindre un deacutetecteur qui permettrait leur observation directe Agrave cause de
cette grande instabiliteacute geacuteneacutereacutee lors de la fusion la possibiliteacute de former de tels noyaux par
cette meacutethode eacutetait jusquagrave preacutesent tregraves incertaine Une approche originale permettant de
mettre en eacutevidence lexistence de ces eacuteleacutements super-lourds et leur stabiliteacute a eacuteteacute deacuteveloppeacutee
au GANIL (Grand Acceacuteleacuterateur National drsquoIons Lourds (CEACNRS) France) dans le cadre
dune collaboration entre diffeacuterents laboratoires au lieu de deacutetecter le noyau composeacute
super-lourd cest le temps mis par ce noyau pour fissionner qui a eacuteteacute mesureacute
Des eacuteveacutenements de fission agrave des temps supeacuterieurs agrave 10-18
s (un milliardiegraveme de
milliardiegraveme de seconde) ont eacuteteacute observeacutes pour des noyaux constitueacutes de 120 et 124 protons
Ces noyaux ont eacuteteacute formeacutes par bombardement de cibles de nickel Ni et de germanium Ge par
des ions duranium U acceacuteleacutereacutes par le GANIL Ils ont eacuteteacute identifieacutes gracircce agrave Indra un
deacutetecteur de noyaux et particules chargeacutees couvrant quasiment tout lespace autour des
cibles Ce temps de 10-18
s est certes tregraves court mais agrave leacutechelle des temps de vie nucleacuteaires il
est suffisamment long pour signer sans ambiguiumlteacute la formation des eacuteleacutements de 120 et 124
protons et pour leur attribuer une grande stabiliteacute vis-agrave-vis de la fission lorsquils ne sont pas
exciteacutes Ces reacutesultats ouvrent des perspectives nouvelles dans la course aux eacuteleacutements super-
lourds et dans la localisation dun laquo icirclot de stabiliteacute raquo
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5
II- Quantification de lrsquoeacutenergie des atomes
Dire qursquoune grandeur est quantifieacutee signifie qursquoelle ne peut pas prendre toutes les
valeurs possibles mais seulement certaines Il peut tout de mecircme y avoir une infiniteacute de
valeurs permises mais dont la reacutepartition sera discregravete ou par bandes
1- Ondes eacutelectromagneacutetiques absorption et eacutemission
Les ondes eacutelectromagneacutetiques correspondent agrave un champ eacutelectrique et un champ magneacutetique
qui se propagent agrave travers lrsquoespace
Une onde lumineuse est une onde eacutelectromagneacutetique caracteacuteriseacutee par
sa longueur drsquoonde dans le vide 0
sa peacuteriode T ou sa freacutequence 1
T
La longueur drsquoonde dans le vide correspond agrave la peacuteriodiciteacute spatiale de lrsquoonde
eacutelectromagneacutetique quand elle se propage dans le vide Cela signifie qursquoagrave un instant donneacute
on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que lrsquoon se deacuteplace de cette longueur
drsquoonde dans le sens de propagation de lrsquoonde
La peacuteriode T correspond agrave la peacuteriodiciteacute temporelle de lrsquoonde eacutelectromagneacutetique Cela
signifie qursquoagrave un endroit donneacute on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que
lrsquoon attend un nombre entier de peacuteriode
On deacutefinit aussi la freacutequence qui est lrsquoinverse de la peacuteriode et srsquoexprime en Hertz (Hz)
Cette freacutequence est homogegravene agrave lrsquoinverse drsquoun temps et exprime le nombre de peacuteriodes se
produisant pendant une seconde
On a alors la relation 0
ccT
ougrave c est la ceacuteleacuteriteacute (vitesse) de la lumiegravere dans le vide
valant environ 300 000 kms-1
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En fonction de la longueur drsquoonde dans le vide on deacutefinit les diffeacuterents domaines des
ondes eacutelectromagneacutetiques
Le domaine du visible srsquoeacutetend environ de 400 nm (violet) agrave 770 nm (rouge)
On peut remarquer que le domaine des ondes eacutelectromagneacutetiques visibles est tregraves petit par
rapport aux domaines de toutes les ondes eacutelectromagneacutetiques allant des plus eacutenergeacutetiques
(rayons gamma et rayons X) aux moins eacutenergeacutetiques comme les ondes radio
La lumiegravere onde eacutelectromagneacutetique peut ecirctre aussi vue comme un faisceau de particules
sans masses appeleacutes photons En effet certains pheacutenomegravenes physiques srsquointerpregravetent agrave lrsquoaide
du modegravele ondulatoire comme les interfeacuterences et drsquoautres agrave lrsquoaide du modegravele corpusculaire
comme lrsquoeacutemission et lrsquoabsorption de photons par la matiegravere Crsquoest la dualiteacute onde-
corpuscule
Lrsquoeacutenergie correspondant agrave un photon (laquo grain drsquoeacutenergie raquo) est
E = h
Ougrave h = 66310-34
Js est la constante de Planck
Par exemple des photons de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm correspondent agrave une
eacutenergie
E = h = hc = 66310-34
x 3108 50010
-9 = 39810
-19 J
On deacutefinit alors une uniteacute eacutenergeacutetique adapteacutee agrave lrsquoatome
Lrsquoeacutelectron-volt (eV) est lrsquoeacutenergie eacutelectrostatique (qV) correspondant agrave une charge eacuteleacutementaire
e placeacutee au potentiel de 1 V donc
1 eV = 1610-19
J
Lrsquoeacutenergie du photon de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm est donc 249 eV
La dualiteacute onde-corpuscule srsquoapplique agrave tout corps
La longueur drsquoonde de de Broglie associeacutee agrave toute particule est
h
p
ougrave p est la quantiteacute de mouvement de cette particule
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Lrsquoeacutemission ou lrsquoabsorption de photons est reacutegies par un principe de conservation de
lrsquoeacutenergie agrave savoir que lrsquoeacutenergie du photon eacutemis ou absorbeacute par la matiegravere est exactement
eacutegale agrave la diffeacuterence drsquoeacutenergie entre les deux niveaux eacutenergeacutetiques entre lesquels la transition
a lieu
Dans le scheacutema ci-dessous on considegravere une transition entre deux niveaux En et Em drsquoun
constituant de la matiegravere (atome moleacutecule ion)
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2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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9
Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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11
On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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4
Les proportions des isotopes dont la nature sont caracteacuteriseacutees par les fractions molaires
calculeacutee par rapport agrave leacuteleacutement et sont appeleacutees abondances isotopiques naturelles
H 99985 D 0015 T traces lt 10-4
12
C 9889 13
C 111 14
C traces 35
Cl 758 37
Cl 242
Lorsque le nombre de protons dans le noyau augmente la reacutepulsion eacutelectrostatique finit par
lemporter sur linteraction forte assurant la coheacutesion des nucleacuteons au sein du noyau La
stabiliteacute des noyaux lourds neacutecessite un ratio NZ plus grand que pour les noyaux plus leacutegers
On peut donc distinguer deux cateacutegories de noyaux
les noyaux stables qui correspondent agrave N = Z pour les noyaux leacutegers (Z lt 20) et agrave N ge Z
pour les autres noyaux
les noyaux instables radioactifs qui se transforment et tendent agrave revenir vers leur zone de
stabiliteacute
noyau leacuteger avec N gt Z eacutemission -
noyau leacuteger avec N lt Z eacutemission +
noyau lourd eacutemission
Plus le nombre des nucleacuteons est important plus lrsquoatome est consideacutereacute comme laquo lourd raquo
Au-delagrave de 92 protons les atomes sont geacuteneacuteralement tregraves instables et ne peuvent exister
que pendant des temps tregraves courts Cependant la theacuteorie preacutedit un laquo icirclot de stabiliteacute raquo pour
des atomes constitueacutes dun nombre de protons bien supeacuterieur agrave ceux de luranium Diffeacuterentes
expeacuteriences dans plusieurs pays cherchent agrave creacuteer des eacuteleacutements de plus en plus massifs pour
atteindre cet icirclot de stabiliteacute Leacuteleacutement le plus lourd syntheacutetiseacute agrave ce jour possegravede 118 protons
Les eacuteleacutements dits super-lourds (comportant plus de 110 protons) sont geacuteneacuteralement
formeacutes par reacuteactions de fusion entre deux noyaux plus leacutegers Une des principales difficulteacutes
rencontreacutees au cours de ces tentatives de synthegravese deacuteleacutements super-lourds provient de
lexcitation geacuteneacutereacutee ineacutevitablement lors de leur formation par fusion Or ces noyaux
deviennent extrecircmement instables lorsquils sont exciteacutes et fissionnent en deux noyaux plus
leacutegers bien avant datteindre un deacutetecteur qui permettrait leur observation directe Agrave cause de
cette grande instabiliteacute geacuteneacutereacutee lors de la fusion la possibiliteacute de former de tels noyaux par
cette meacutethode eacutetait jusquagrave preacutesent tregraves incertaine Une approche originale permettant de
mettre en eacutevidence lexistence de ces eacuteleacutements super-lourds et leur stabiliteacute a eacuteteacute deacuteveloppeacutee
au GANIL (Grand Acceacuteleacuterateur National drsquoIons Lourds (CEACNRS) France) dans le cadre
dune collaboration entre diffeacuterents laboratoires au lieu de deacutetecter le noyau composeacute
super-lourd cest le temps mis par ce noyau pour fissionner qui a eacuteteacute mesureacute
Des eacuteveacutenements de fission agrave des temps supeacuterieurs agrave 10-18
s (un milliardiegraveme de
milliardiegraveme de seconde) ont eacuteteacute observeacutes pour des noyaux constitueacutes de 120 et 124 protons
Ces noyaux ont eacuteteacute formeacutes par bombardement de cibles de nickel Ni et de germanium Ge par
des ions duranium U acceacuteleacutereacutes par le GANIL Ils ont eacuteteacute identifieacutes gracircce agrave Indra un
deacutetecteur de noyaux et particules chargeacutees couvrant quasiment tout lespace autour des
cibles Ce temps de 10-18
s est certes tregraves court mais agrave leacutechelle des temps de vie nucleacuteaires il
est suffisamment long pour signer sans ambiguiumlteacute la formation des eacuteleacutements de 120 et 124
protons et pour leur attribuer une grande stabiliteacute vis-agrave-vis de la fission lorsquils ne sont pas
exciteacutes Ces reacutesultats ouvrent des perspectives nouvelles dans la course aux eacuteleacutements super-
lourds et dans la localisation dun laquo icirclot de stabiliteacute raquo
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5
II- Quantification de lrsquoeacutenergie des atomes
Dire qursquoune grandeur est quantifieacutee signifie qursquoelle ne peut pas prendre toutes les
valeurs possibles mais seulement certaines Il peut tout de mecircme y avoir une infiniteacute de
valeurs permises mais dont la reacutepartition sera discregravete ou par bandes
1- Ondes eacutelectromagneacutetiques absorption et eacutemission
Les ondes eacutelectromagneacutetiques correspondent agrave un champ eacutelectrique et un champ magneacutetique
qui se propagent agrave travers lrsquoespace
Une onde lumineuse est une onde eacutelectromagneacutetique caracteacuteriseacutee par
sa longueur drsquoonde dans le vide 0
sa peacuteriode T ou sa freacutequence 1
T
La longueur drsquoonde dans le vide correspond agrave la peacuteriodiciteacute spatiale de lrsquoonde
eacutelectromagneacutetique quand elle se propage dans le vide Cela signifie qursquoagrave un instant donneacute
on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que lrsquoon se deacuteplace de cette longueur
drsquoonde dans le sens de propagation de lrsquoonde
La peacuteriode T correspond agrave la peacuteriodiciteacute temporelle de lrsquoonde eacutelectromagneacutetique Cela
signifie qursquoagrave un endroit donneacute on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que
lrsquoon attend un nombre entier de peacuteriode
On deacutefinit aussi la freacutequence qui est lrsquoinverse de la peacuteriode et srsquoexprime en Hertz (Hz)
Cette freacutequence est homogegravene agrave lrsquoinverse drsquoun temps et exprime le nombre de peacuteriodes se
produisant pendant une seconde
On a alors la relation 0
ccT
ougrave c est la ceacuteleacuteriteacute (vitesse) de la lumiegravere dans le vide
valant environ 300 000 kms-1
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En fonction de la longueur drsquoonde dans le vide on deacutefinit les diffeacuterents domaines des
ondes eacutelectromagneacutetiques
Le domaine du visible srsquoeacutetend environ de 400 nm (violet) agrave 770 nm (rouge)
On peut remarquer que le domaine des ondes eacutelectromagneacutetiques visibles est tregraves petit par
rapport aux domaines de toutes les ondes eacutelectromagneacutetiques allant des plus eacutenergeacutetiques
(rayons gamma et rayons X) aux moins eacutenergeacutetiques comme les ondes radio
La lumiegravere onde eacutelectromagneacutetique peut ecirctre aussi vue comme un faisceau de particules
sans masses appeleacutes photons En effet certains pheacutenomegravenes physiques srsquointerpregravetent agrave lrsquoaide
du modegravele ondulatoire comme les interfeacuterences et drsquoautres agrave lrsquoaide du modegravele corpusculaire
comme lrsquoeacutemission et lrsquoabsorption de photons par la matiegravere Crsquoest la dualiteacute onde-
corpuscule
Lrsquoeacutenergie correspondant agrave un photon (laquo grain drsquoeacutenergie raquo) est
E = h
Ougrave h = 66310-34
Js est la constante de Planck
Par exemple des photons de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm correspondent agrave une
eacutenergie
E = h = hc = 66310-34
x 3108 50010
-9 = 39810
-19 J
On deacutefinit alors une uniteacute eacutenergeacutetique adapteacutee agrave lrsquoatome
Lrsquoeacutelectron-volt (eV) est lrsquoeacutenergie eacutelectrostatique (qV) correspondant agrave une charge eacuteleacutementaire
e placeacutee au potentiel de 1 V donc
1 eV = 1610-19
J
Lrsquoeacutenergie du photon de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm est donc 249 eV
La dualiteacute onde-corpuscule srsquoapplique agrave tout corps
La longueur drsquoonde de de Broglie associeacutee agrave toute particule est
h
p
ougrave p est la quantiteacute de mouvement de cette particule
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Lrsquoeacutemission ou lrsquoabsorption de photons est reacutegies par un principe de conservation de
lrsquoeacutenergie agrave savoir que lrsquoeacutenergie du photon eacutemis ou absorbeacute par la matiegravere est exactement
eacutegale agrave la diffeacuterence drsquoeacutenergie entre les deux niveaux eacutenergeacutetiques entre lesquels la transition
a lieu
Dans le scheacutema ci-dessous on considegravere une transition entre deux niveaux En et Em drsquoun
constituant de la matiegravere (atome moleacutecule ion)
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2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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II- Quantification de lrsquoeacutenergie des atomes
Dire qursquoune grandeur est quantifieacutee signifie qursquoelle ne peut pas prendre toutes les
valeurs possibles mais seulement certaines Il peut tout de mecircme y avoir une infiniteacute de
valeurs permises mais dont la reacutepartition sera discregravete ou par bandes
1- Ondes eacutelectromagneacutetiques absorption et eacutemission
Les ondes eacutelectromagneacutetiques correspondent agrave un champ eacutelectrique et un champ magneacutetique
qui se propagent agrave travers lrsquoespace
Une onde lumineuse est une onde eacutelectromagneacutetique caracteacuteriseacutee par
sa longueur drsquoonde dans le vide 0
sa peacuteriode T ou sa freacutequence 1
T
La longueur drsquoonde dans le vide correspond agrave la peacuteriodiciteacute spatiale de lrsquoonde
eacutelectromagneacutetique quand elle se propage dans le vide Cela signifie qursquoagrave un instant donneacute
on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que lrsquoon se deacuteplace de cette longueur
drsquoonde dans le sens de propagation de lrsquoonde
La peacuteriode T correspond agrave la peacuteriodiciteacute temporelle de lrsquoonde eacutelectromagneacutetique Cela
signifie qursquoagrave un endroit donneacute on retrouve le mecircme champ eacutelectrique agrave chaque fois que
lrsquoon attend un nombre entier de peacuteriode
On deacutefinit aussi la freacutequence qui est lrsquoinverse de la peacuteriode et srsquoexprime en Hertz (Hz)
Cette freacutequence est homogegravene agrave lrsquoinverse drsquoun temps et exprime le nombre de peacuteriodes se
produisant pendant une seconde
On a alors la relation 0
ccT
ougrave c est la ceacuteleacuteriteacute (vitesse) de la lumiegravere dans le vide
valant environ 300 000 kms-1
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En fonction de la longueur drsquoonde dans le vide on deacutefinit les diffeacuterents domaines des
ondes eacutelectromagneacutetiques
Le domaine du visible srsquoeacutetend environ de 400 nm (violet) agrave 770 nm (rouge)
On peut remarquer que le domaine des ondes eacutelectromagneacutetiques visibles est tregraves petit par
rapport aux domaines de toutes les ondes eacutelectromagneacutetiques allant des plus eacutenergeacutetiques
(rayons gamma et rayons X) aux moins eacutenergeacutetiques comme les ondes radio
La lumiegravere onde eacutelectromagneacutetique peut ecirctre aussi vue comme un faisceau de particules
sans masses appeleacutes photons En effet certains pheacutenomegravenes physiques srsquointerpregravetent agrave lrsquoaide
du modegravele ondulatoire comme les interfeacuterences et drsquoautres agrave lrsquoaide du modegravele corpusculaire
comme lrsquoeacutemission et lrsquoabsorption de photons par la matiegravere Crsquoest la dualiteacute onde-
corpuscule
Lrsquoeacutenergie correspondant agrave un photon (laquo grain drsquoeacutenergie raquo) est
E = h
Ougrave h = 66310-34
Js est la constante de Planck
Par exemple des photons de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm correspondent agrave une
eacutenergie
E = h = hc = 66310-34
x 3108 50010
-9 = 39810
-19 J
On deacutefinit alors une uniteacute eacutenergeacutetique adapteacutee agrave lrsquoatome
Lrsquoeacutelectron-volt (eV) est lrsquoeacutenergie eacutelectrostatique (qV) correspondant agrave une charge eacuteleacutementaire
e placeacutee au potentiel de 1 V donc
1 eV = 1610-19
J
Lrsquoeacutenergie du photon de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm est donc 249 eV
La dualiteacute onde-corpuscule srsquoapplique agrave tout corps
La longueur drsquoonde de de Broglie associeacutee agrave toute particule est
h
p
ougrave p est la quantiteacute de mouvement de cette particule
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Lrsquoeacutemission ou lrsquoabsorption de photons est reacutegies par un principe de conservation de
lrsquoeacutenergie agrave savoir que lrsquoeacutenergie du photon eacutemis ou absorbeacute par la matiegravere est exactement
eacutegale agrave la diffeacuterence drsquoeacutenergie entre les deux niveaux eacutenergeacutetiques entre lesquels la transition
a lieu
Dans le scheacutema ci-dessous on considegravere une transition entre deux niveaux En et Em drsquoun
constituant de la matiegravere (atome moleacutecule ion)
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2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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15
Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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16
Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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6
En fonction de la longueur drsquoonde dans le vide on deacutefinit les diffeacuterents domaines des
ondes eacutelectromagneacutetiques
Le domaine du visible srsquoeacutetend environ de 400 nm (violet) agrave 770 nm (rouge)
On peut remarquer que le domaine des ondes eacutelectromagneacutetiques visibles est tregraves petit par
rapport aux domaines de toutes les ondes eacutelectromagneacutetiques allant des plus eacutenergeacutetiques
(rayons gamma et rayons X) aux moins eacutenergeacutetiques comme les ondes radio
La lumiegravere onde eacutelectromagneacutetique peut ecirctre aussi vue comme un faisceau de particules
sans masses appeleacutes photons En effet certains pheacutenomegravenes physiques srsquointerpregravetent agrave lrsquoaide
du modegravele ondulatoire comme les interfeacuterences et drsquoautres agrave lrsquoaide du modegravele corpusculaire
comme lrsquoeacutemission et lrsquoabsorption de photons par la matiegravere Crsquoest la dualiteacute onde-
corpuscule
Lrsquoeacutenergie correspondant agrave un photon (laquo grain drsquoeacutenergie raquo) est
E = h
Ougrave h = 66310-34
Js est la constante de Planck
Par exemple des photons de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm correspondent agrave une
eacutenergie
E = h = hc = 66310-34
x 3108 50010
-9 = 39810
-19 J
On deacutefinit alors une uniteacute eacutenergeacutetique adapteacutee agrave lrsquoatome
Lrsquoeacutelectron-volt (eV) est lrsquoeacutenergie eacutelectrostatique (qV) correspondant agrave une charge eacuteleacutementaire
e placeacutee au potentiel de 1 V donc
1 eV = 1610-19
J
Lrsquoeacutenergie du photon de longueur drsquoonde dans le vide 500 nm est donc 249 eV
La dualiteacute onde-corpuscule srsquoapplique agrave tout corps
La longueur drsquoonde de de Broglie associeacutee agrave toute particule est
h
p
ougrave p est la quantiteacute de mouvement de cette particule
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7
Lrsquoeacutemission ou lrsquoabsorption de photons est reacutegies par un principe de conservation de
lrsquoeacutenergie agrave savoir que lrsquoeacutenergie du photon eacutemis ou absorbeacute par la matiegravere est exactement
eacutegale agrave la diffeacuterence drsquoeacutenergie entre les deux niveaux eacutenergeacutetiques entre lesquels la transition
a lieu
Dans le scheacutema ci-dessous on considegravere une transition entre deux niveaux En et Em drsquoun
constituant de la matiegravere (atome moleacutecule ion)
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2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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13
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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7
Lrsquoeacutemission ou lrsquoabsorption de photons est reacutegies par un principe de conservation de
lrsquoeacutenergie agrave savoir que lrsquoeacutenergie du photon eacutemis ou absorbeacute par la matiegravere est exactement
eacutegale agrave la diffeacuterence drsquoeacutenergie entre les deux niveaux eacutenergeacutetiques entre lesquels la transition
a lieu
Dans le scheacutema ci-dessous on considegravere une transition entre deux niveaux En et Em drsquoun
constituant de la matiegravere (atome moleacutecule ion)
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8
2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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8
2- Spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Pour obtenir le spectre drsquoeacutemission des atomes drsquohydrogegravene un eacutechantillon de moleacutecules de
dihydrogegravene gazeux exciteacutees par des deacutecharges eacutelectriques conduisant agrave la rupture de la
liaison et agrave la formation drsquoatomes drsquohydrogegravene dans un eacutetat exciteacute selon la reacuteaction suivante
H2(g) 2 H(g)
On observe alors une eacutemission de photons dont on peut analyser le spectre (distribution
des longueurs drsquoondes eacutemises) agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme optique dispersif (reacuteseau prisme)
On observe alors des raies lumineuses dans le spectre drsquoeacutemission qui se trouvent dans les
domaines de lrsquoultraviolet (UV) du visible et de lrsquoinfrarouge (IR) On observe drsquoailleurs
uniquement 4 raies dans le visible (n=2 nrsquo=3 4 5 ou 6) Ces seacuteries de raies portent le nom
de leur inventeur et sont caracteacuteriseacutees par leur nombre drsquoonde veacuterifiant
22
1 1 1
HR
nn
ougrave nrsquo et n sont des entiers naturels diffeacuterents de 0 tels que nrsquo gt n et RH est la constante de
Rydberg relative agrave lrsquoatome drsquohydrogegravene RH = 109 cm-1
Les premiegraveres raies spectrales de lhydrogegravene que lon ait eacutetudieacutees sont situeacutees dans le
domaine visible du spectre bien quelles aillent en se resserrant vers une limite situeacutee dans le
proche ultraviolet
Cette seacuterie de raies sappelle la seacuterie de Balmer du nom du physicien suisse ayant
deacutecouvert la loi qui reacutegit lespacement en longueurs donde des raies Les premiegraveres raies sont
numeacuteroteacutees au moyen de lalphabet grec La premiegravere raie H a la longueur donde 6562 nm
elle est donc rouge la seconde H est bleue agrave 4861 nm la troisiegraveme H est violette agrave 4340
nm et ainsi de suite
Les derniegraveres sont tregraves rapprocheacutees il ny a plus de raies pour des longueurs donde plus
courtes que 3646 nm Cette longueur donde limite est la limite de la seacuterie de Balmer
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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Chaque seacuterie correspond agrave une valeur de n donneacutee correspondant agrave la formule de donneacutee
ci-dessus
Seacuterie de Lyman n = 1 UV lointain
Seacuterie de Balmer n = 2 visible et UV proche
Seacuterie de Paschen n = 3 IR
Seacuterie de Brackett n = 4 IR
Seacuterie de Pfund n = 5 IR
Pour tous les atomes des spectres de raies sont aussi
obtenus aussi bien en eacutemission qursquoen absorption
Remarque
Si on reacutealise un spectre drsquoabsorption de lrsquoatome drsquohydrogegravene on obtiendra une seule
seacuterie de raies noires correspondant agrave la seacuterie de Lyman
1 1
1
12 2
Rn
H ( )
La meacutecanique classique ne permet pas drsquointerpreacuteter ce reacutesultat puisqursquoen appliquant la
relation fondamentale de la dynamique newtonienne au systegraveme de lrsquoeacutelectron et du
noyau on obtiendrait toutes les eacutenergies possibles pour ce systegraveme Crsquoest pourquoi
afin drsquointerpreacuteter ces reacutesultats expeacuterimentaux il est neacutecessaire drsquoutiliser
La Meacutecanique Quantique
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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3- Energie de lrsquohydrogegravene et des hydrogeacutenoiumldes
Le spectre drsquoeacutemission de lrsquoatome drsquohydrogegravene permet drsquoacceacuteder agrave tous les eacutecarts
eacutenergeacutetiques entre niveaux eacutenergeacutetiques possibles de cet atome
Puisque le spectre drsquoeacutemission comprend des raies de longueur drsquoonde bien preacutecise et que
lrsquoeacutemission drsquoun photon drsquoeacutenergie E = hc correspond au passage drsquoun eacutelectron drsquoune eacutenergie
agrave une eacutenergie infeacuterieure cela signifie que lrsquoeacutelectron au sein de lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut
pas avoir nrsquoimporte quelle valeur drsquoeacutenergie et donc
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene est quantifieacutee
Il nrsquoy a pas de continuum drsquoeacutenergie pour une population drsquoatomes drsquohydrogegravenes
Ces remarques sont geacuteneacuteralisables agrave tous les atomes moleacutecules et ions
Lrsquoeacutenergie de lrsquoatome drsquohydrogegravene auquel lrsquoeacutelectron a eacuteteacute arracheacute est choisie arbitrairement
eacutegale agrave 0 eV Les niveaux eacutenergeacutetiques permis sont alors calculeacutes agrave partir des longueurs
drsquoonde eacutemises et on trouve alors le diagramme eacutenergeacutetique de lrsquoatome drsquohydrogegravene
Lrsquoeacutenergie des atomes drsquohydrogegravene est quantifieacutee par le nombre quantique principal n
entier naturel non nul Elle veacuterifie
0
2 2 2
136
y
n
R EE eV
n n n
Ry est la constante de Rydberg pour lrsquoatome drsquohydrogegravene exprimeacutee en joule Elle est en
geacuteneacuteral noteacutee E0 lorsqursquoelle est exprimeacutee en eV
1821810 yR J
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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On retrouve agrave lrsquoaide de cette formule eacutenergeacutetique les reacutesultats expeacuterimentaux
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron dans lrsquoatome drsquohydrogegravene ne peut donc prendre que des valeurs
bien preacutecises Lrsquoeacutenergie est quantifieacutee
n=1 eacutetat fondamental -136 eV
n=2 premier eacutetat exciteacute -340 eV
n= 3 deuxiegraveme eacutetat exciteacute -151 eV
etc
Lrsquoeacutelectron de lrsquoatome drsquohydrogegravene passe du niveau n agrave un niveau nrsquo supeacuterieure par
absorption drsquoun photon de freacutequence donneacutee par la relation suivante
E E E Rn n
hn n y
1 12 2
Relation entre RH et Ry
R
hc n nR
n n
y
H
1 1 1 12 2 2 2
donc RR
hcH
y
Atome hydrogeacutenoiumlde atome de noyau chargeacute Ze auquel il ne reste qursquoun eacutelectron Un
atome hydrogeacutenoiumlde est donc symboliseacute par
A
Z ZX ( ) 1
Les eacutenergies de tous les atomes moleacutecules ions sont quantifieacutees
Dans le cas le plus simple de lrsquoatome drsquohydrogegravene et des systegravemes agrave un eacutelectron (aussi
appeleacute systegravemes hydrogeacutenoiumldes He+ Li
2+hellip) cette eacutenergie ne deacutepend que drsquoun seul
nombre quantique n (entier strictement positif) nombre quantique principal 2
2
y
hydrogeacutenoide
R ZE
n
Dans le cas plus compliqueacute des atomes polyeacutelectroniques (agrave plusieurs eacutelectrons)
lrsquoeacutenergie des eacutelectrons deacutependra de plusieurs nombres quantiques
Par exemple lrsquohydrogegravenoiumlde de lrsquoatome de carbone (C Z = 6) est un ion C5+
dont
lrsquoeacutenergie drsquoionisation agrave partir de son eacutetat fondamental vaut
2
01 2
0 4896E Z
EI E E eVn
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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III- Configuration eacutelectronique drsquoun atome
1- Nombres quantiques
Le nombre quantique principal n ne suffit pas agrave caracteacuteriser un eacutelectron dans un atome Il
faut drsquoautres nombres quantiques Il en faut quatre en tout
n nombre quantique principal n N
l nombre quantique secondaire ou azimuthal 0 l n
m nombre quantique tertiaire ou magneacutetique l m l
ms nombre magneacutetique de spin ms = + ou ndash 12
l et m sont des entiers
Une nomenclature permet de dire dans quel eacutetat se trouve un eacutelectron dans un atome On
dit que lrsquoeacutelectron est dans une case quantique ou Orbitale Atomique (OA) nxm ougrave x est une
lettre deacutependant de la valeur de l et qursquoil a un nombre magneacutetique de spin LrsquoOA deacutepend de
trois nombres quantiques n l et m Crsquoest la raison pour laquelle on parle de spinorbitale pour
un eacutelectron donneacute
A chaque n correspond un niveau (nomenclature peu employeacutee)
n= 1 2 3 4 5 6
niveau K L M N O P
A chaque valeur de l correspond un sous-niveau
l= 0 1 2 3 4
sous-niveau x s p d f g
Les noms des diffeacuterentes orbitales atomiques obtenues dans le cas de lrsquoatome drsquohydrogegravene
sont
n=1 l=0 m=0 1s
n=2 l=0 m=0 2s
l=1 m=+1 2p+1
m=0 2p0
m=-1 2p-1
n=3 l=0 m=0 3s
l=1 m=+1 3p+1
m=0 3p0
m=-1 3p-1
l=2 m=+2 3d+2
m=+1 3d+1
m=0 3d0
m=-1 3d-1
m=-2 3d-2
hellipetc
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Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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13
Lrsquoeacutenergie de lrsquoeacutelectron deacutepend de n pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes et de (n l) pour
les eacutelectrons des atomes polyeacutelectroniques
Pour lrsquohydrogegravene et les hydrogeacutenoiumldes le nombre drsquoorbitales atomiques correspondant agrave la
mecircme valeur de lrsquoeacutenergie croit avec le nombre quantique principal n il y a n2 fonctions
deacutegeacuteneacutereacutees drsquoeacutenergie
2
2
yR Z
n
Un eacutelectron dans un atome est caracteacuteriseacute par quatre nombres quantiques
n l m et ms
2- Regravegle de remplissage des OA
Energie des orbitales atomiques Regravegle de Klechkowsky
Les niveaux deacutenergie dun eacutelectron dans un atome polyeacutelectronique deacutependent de n et de l
ce qui est diffeacuterent de ce que lrsquoon a obtenu pour un atome monoeacutelectronique pour lequel
lrsquoeacutenergie des fonctions propres ne deacutepend que de n
Enl augmente avec (n+l)
Pour une mecircme valeur de (n+l) lrsquoeacutenergie la plus eacuteleveacutee correspond au n le plus grand
Conseacutequences
Des orbitales atomiques de mecircme n et de mecircme l sont deacutegeacuteneacutereacutees (2px et 2py)
La couche 2 admet deux sous-couches de niveau drsquoeacutenergie diffeacuterent la sous-couche 2s
et la sous-couche 2p La 2p eacutetant plus haute en eacutenergie que la 2s
Le classement par ordre drsquoeacutenergie croissante est donc
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s
La conseacutequence essentielle est que les diffeacuterents couches vont sinterpeacuteneacutetrer en eacutenergie la
sous-couche 4s (n+l = 4) est plus basse en eacutenergie que la sous-couche 3d (n+l = 5)
Remarque
Diffeacuterents moyens techniques sont agrave notre disposition pour se rappeler cet ordre
La succession des OA se fait toujours dans lrsquoordre suivant
xs (xgt0) (x-2)f (xgt5) (x-1)d (xgt3) xp (xgt1)
n+l = x x+1 x+1 x+1
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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Dans le tableau suivant le deacuteplacement agrave (n+l) croissant en deacutemarrant par le n le plus petit
se fait en descendant de droite agrave gauche et en montant de gauche agrave droite tout en
commenccedilant bien sur agrave la 1s On retrouve ainsi lrsquoordre des OA par eacutenergie croissante
nl 0 1 2 3
1 1s
2 2s 2p
3 3s 3p 3d
4 4s 4p 4d 4f
5 5s 5p 5d 5f
6 6s 6p hellip
Le problegraveme qui se pose alors est de placer les Z eacutelectrons de latome dans les diverses
couches ou divers niveaux deacutenergie Pour obtenir leacutetat fondamental de latome il faut
placer les eacutelectrons par ordre croissant de niveau deacutenergie Les autres reacutepartitions
eacutelectroniques correspondront agrave des eacutetats exciteacutes de lrsquoatome
Regravegle de Klechkowsy Dans les atomes polyeacutelectroniques dans leur eacutetat fondamental les
sous-couches se remplissent par (n+l) croissant Pour deux valeurs eacutegales de (n+l) crsquoest la
sous-couche de n le plus petit qui se remplit en premier
Remarque Il y a des exceptions agrave cette regravegle lorsque par promotion drsquoun eacutelectron dans une
couche drsquoeacutenergie supeacuterieure on peut obtenir des sous-couches remplies ou demi-remplie
Nous verrons ces exceptions plus tard
Pour donner la configuration eacutelectronique drsquoun atome dans son eacutetat fondamental il faut
donc savoir combien drsquoeacutelectrons peuvent ecirctre placeacutes dans chaque OA puis dans chaque sous-
couche La reacuteponse agrave cette question est donneacutee par le principe drsquoexclusion de Pauli
Principe dexclusion de Pauli
La meacutecanique quantique montre que deux eacutelectrons ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat
quantique ceci reacutesulte de proprieacuteteacutes dantisymeacutetrie des fonctions donde correspondant agrave des
corps de spin demi-entier comme les eacutelectrons Il est eacutevidemment impossible pour nous de
deacutemontrer quoi que ce soit et nous admettrons donc le reacutesultat connu sous le nom de
principe de Pauli
Deux eacutelectrons dun mecircme atome ne peuvent pas ecirctre dans le mecircme eacutetat quantique (n l
m ms)
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Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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15
Conseacutequences
Si deux eacutelectrons ont un mecircme nombre quantique magneacutetique de spin ils occupent
obligatoirement deux orbitales atomiques diffeacuterentes
Dans une orbitale atomique (deacutefinie par n l et m) les eacutelectrons ont un nombre
quantique magneacutetique de spin diffeacuterent Il y a donc au maximum deux eacutelectrons par
orbitale atomique
Pour un niveau deacutenergie donneacute n et l sont fixeacutes on a 2l+1 valeurs possibles pour m et 2
valeurs possibles pour ms
Dans le niveau (nl) on peut placer au maximum 2(2l+1) eacutelectrons
Niveau ns 2 eacutelectrons
Niveau np 6 eacutelectrons
Niveau nd 10 eacutelectrons
Niveau nf 14 eacutelectrons
La notation utiliseacutee est la suivante on indique le sous-groupe drsquoorbitales deacutegeacuteneacutereacutees suivi
en exposant du nombre deacutelectrons qui occupent ce niveau deacutenergie
Exemple leacutetat fondamental de latome de Lithium (Z = 3) est 1s2 2s
1
Maintenant que lrsquoon sait combien drsquoeacutelectrons sont placeacutes dans un sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees (p d ou f) on peut se demander comment ils se reacutepartissent dans ce sous-groupe
La regravegle de Hund reacutepond agrave cette question
Regravegle de Hund
Lorsquon dispose de plusieurs orbitales deacutegeacuteneacutereacutees de mecircme eacutenergie les eacutelectrons sont
placeacutes de faccedilon agrave occuper le maximum dorbitales atomiques (m diffeacuterents) avec des
spins parallegraveles (mecircme ms)
Exemple si on doit placer 3 eacutelectrons dans le niveau 2p dun atome Les valeurs de (m
ms) seront
(-112) (0 12) (1 12)
On aurait pu eacutegalement mettre -12 partout agrave la place de 12
Pour repreacutesenter ceci on utilise parfois la notation en cases quantiques
Si on doit placer 4 eacutelectrons le dernier est placeacute avec un ms diffeacuterent dans nimporte
laquelle des cases qui mateacuterialisent les OA 2p
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16
Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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17
Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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16
Ceci srsquoexplique du fait drsquoune eacutenergie drsquoappariement deacutestabilisante On tient alors dans ce
cas des interactions eacutelectron-eacutelectron dont ne tient pas compte la regravegle de Klechkowsky
Application
Remplir le diagramme eacutenergeacutetique suivant pour obtenir le remplissage de la configuration
eacutelectronique fondamentale afin de respecter la regravegle de Hund
2 eacutelectrons 3 eacutelectrons 4 eacutelectrons 5 eacutelectrons 6 eacutelectrons
Il est possible de veacuterifier expeacuterimentalement la regravegle de Hund car la preacutesence drsquoeacutelectrons
ceacutelibataires dans un atome une moleacutecule un ionhellip lui confegravere des proprieacuteteacutes magneacutetiques
particuliegraveres
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est diamagneacutetique si elle ne possegravede pas drsquoeacutelectron
ceacutelibataire
On dit drsquoune espegravece qursquoelle est paramagneacutetique si elle possegravede un (ou plusieurs eacutelectrons)
ceacutelibataire(s)
Reacutecapitulatif
Il ne reste donc quagrave placer les eacutelectrons de latome ou eacuteventuellement de lion dans les
niveaux deacutenergie ou dans les eacutetats eacutelectroniques possibles en commenccedilant agrave remplir les
niveaux les plus bas en eacutenergie et en respectant le principe de Pauli et la regravegle de Hund
Lordre des niveaux est donneacute par la regravegle de Klechkowsky
3- Applications particulariteacutes exceptions
Atomes donner la configuration eacutelectronique des atomes suivants dans leur eacutetat
fondamental
Azote N Z = 7 1s2 2s
2 2p
3
Magneacutesium Mg Z = 12 1s2 2s
2 2p
6 3s
2
Chlore Cl Z = 17 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
5
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
6
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
3
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
10 5d
1
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Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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17
Ion donner la configuration eacutelectronique des ions suivants dans leur eacutetat fondamental
Pour cela agrave partir de la configuration eacutelectronique de lrsquoatome correspondant dans son eacutetat
fondamental on retire ou on ajoute le nombre drsquoeacutelectrons correspondant agrave la charge de lrsquoion
correspondant
Ion magneacutesium II Mg2+
Z = 12 1s2 2s
2 2p
6
Ion ceacutesium I Cs+ Z = 55 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6
Ion chlorure Cl- Z = 17 1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
Ion oxyde O2-
Z = 8 1s2 2s
2 2p
6
Remarques
La configuration eacutelectronique des ions preacuteceacutedents est constitueacutee de sous-groupe drsquoOA
deacutegeacuteneacutereacutees totalement remplis et correspond agrave une couche totalement remplie (voir
regravegle de stabiliteacute maximale)
Pour les ions simples le degreacute drsquooxydation de lrsquoeacuteleacutement ou son nombre drsquooxydation
(no) eacutecrit en chiffres romains) correspond au nombre drsquoeacutelectrons perdus (compteacute
positivement) ou gagneacute (compteacute neacutegativement) par rapport agrave lrsquoatome
Mg2+
+II Cs+ +I Cl
- -I O
2- -II
Ion de meacutetaux du bloc d Pour les meacutetaux du bloc d (configuration eacutelectronique se
terminant par (x-1)d) ce sont les eacutelectrons xs qui sont arracheacutes en premier En effet bien que
les OA xs soient plus basses en eacutenergie que les OA (x-1)d les eacutelectrons s sont plus agrave
lrsquoexteacuterieur de lrsquoatome que les eacutelectrons d
Ion fer II Fe2+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
6
Ion fer III Fe3+
Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Ion zinc II Zn2+
Z = 30 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
10
Ion titane IV Ti4+
Z = 22 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
0
Ion manganese II Mn2+
Z = 25 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
0 3d
5
Exceptions Du fait des interactions eacutelectron-eacutelectron non prises en compte par la regravegle de
Klechkowsky des exceptions agrave cette regravegle existent Le premier eacuteleacutement pour lequel ce type
drsquoexception existe est le chrome Cr (Z = 24)
Chrome Cr Z = 24 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
5
En tenant compte des interactions entre eacutelectrons dans un sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees on se
rend compte que lrsquoobtention drsquoun sous-groupe drsquoOA deacutegeacuteneacutereacutees ou vide ou agrave moitieacute ou
complegravetement rempli abaisse lrsquoeacutenergie du systegraveme Si la promotion drsquoun eacutelectron dans un
niveau drsquoeacutenergie supeacuterieure induit ce genre de remplissage eacutelectronique et que lrsquoutilisation
drsquoune OA drsquoeacutenergie supeacuterieure est compenseacutee eacutenergeacutetiquement par ce facteur favorable alors
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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18
il y a exception On peut comprendre pourquoi les exceptions nrsquoexistent qursquoagrave partir drsquoune
certaine valeur de Z (en lrsquooccurrence Z = 24) en observant que plus Z est eacuteleveacute plus les
derniers niveaux remplis sont proches eacutenergeacutetiquement et donc moins lrsquoutilisation drsquoune OA
drsquoeacutenergie supeacuterieure augmente lrsquoeacutenergie
Cuivre Cu Z = 29 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
1 3d
10
Molybdegravene Mo Z = 42 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
4
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
5
Argent Ag Z = 47 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
9
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
1 4d
10
Comme plus Z augmente plus les niveaux sont proches eacutenergeacutetiquement le nombre
drsquoexceptions augmente et certaines exceptions peuvent correspondre agrave la promotion de
plusieurs eacutelectrons dans un niveau supeacuterieur
Palladium Pd Z = 46 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
0 4d
10
Pour les exceptions la promotion des eacutelectrons pour obtenir une reacutepartition favorable peut se
faire de s vers d ou f et de f vers d pour obtenir une reacutepartition favorable pour le sous-groupe
f
Lanthane La Z = 57 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
1
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
0 5d
1
Gadolinium Gd Z = 64 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
8
En reacutealiteacute 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
6 5s
2 4d
10 5p
6 6s
2 4f
7 5d
1
Il y a de nombreuses exceptions agrave la regravegle de Klechkowsky indiqueacutees par dans la
classification peacuteriodique suivante
Nous verrons par la suite que la place dans la classification peacuteriodique est lieacutee agrave la
configuration eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
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Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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19
Lrsquoordre drsquoeacutecriture des OA est parfois modifieacutee de la faccedilon suivante
Fer Fe Z = 26 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
Indium In Z = 49 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 5s
2 5p
1
Praseacuteodyme Pr Z = 59 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
3 5s
2 5p
6 6s
2
Lutetium Lu Z = 71 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10 4s
2 4p
6 4d
10 4f
10 5s
2 5p
6 5d
1 6s
2
Je ne trouve pas cette notation tregraves pratique
4- Electrons de cœur et de valence
Une fois la reacutepartition eacutelectronique connue pour lrsquoeacutetat fondamental drsquoun atome il est
inteacuteressant de distinguer des eacutelectrons de cœur (plus basse eacutenergie plus grande proximiteacute du
noyau) des eacutelectrons de valence (plus haute eacutenergie plus eacuteloigneacutes du noyau) qui
interviendront pour la compreacutehension des proprieacuteteacutes chimiques et la formation des liaisons
(interaction avec le milieu exteacuterieur agrave lrsquoatome) Ceux de valence sont en effet les eacutelectrons les
plus externes
Le plus souvent les eacutelectrons de valence sont ceux qui occupent les niveaux de nombre
quantique n le plus eacuteleveacute
Carbone (Z = 6) 1s2 2s
2 2p
2
eacutelectrons de cœur 1s2
eacutelectrons de valence 2s2 2p
2
Phosphore (Z = 17) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6
eacutelectrons de valence 3s2 3p
3
Lorsqursquoil y a interpeacuteneacutetration des niveaux n les eacutelectrons de valence sont ceux
correspondant aux niveaux de n le plus grand et aux niveaux remplis apregraves le premier niveau
de n le plus grand (ns)
Titane (Z = 22) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
2
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6
eacutelectrons de valence 4s2 3d
2
Mais les eacutelectrons d font partie des eacutelectrons de cœur si la couche d est complegravete
Brome (Z = 35) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 4s
2 3d
10 4p
5
eacutelectrons de cœur 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
10
eacutelectrons de valence 4s2 4p
5
Les eacutelectrons de cœur sont plus eacutenergeacutetiquement lieacutes au noyau que les eacutelectrons de
valence
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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20
IV- Classification peacuteriodique
1- Lrsquoideacutee de Mendeleiv
Moseley (1887-1915) a eacuteteacute le premier agrave utiliser le nombre atomique Z comme variable de
classement des eacuteleacutements Auparavant quelques chimistes avaient proposeacute un classement
suivant la peacuteriodiciteacute de certaines proprieacuteteacutes chimiques et suivant la masse atomique Parmi
eux Mendeleiev (18341907) est le plus connu Le classement des 63 eacuteleacutements connus agrave son
eacutepoque lui ont permis de preacutevoir lexistence deacuteleacutements qui neacutetaient pas encore deacutecouverts
ainsi que lessentiel de leurs proprieacuteteacutes chimiques Il est le premier agrave avoir pressenti
limportance de ce tableau Il proceacuteda cependant agrave certaines inversions de masses atomiques agrave
cause drsquoanalogies de proprieacuteteacutes chimiques qui furent ensuite justifieacutees par lrsquoeacutetude des numeacuteros
atomiques Z
eacuteleacutement Co Ni
M (gmol-1
) 5893 5871
Z 27 28
Lideacutee maicirctresse est de ranger dans une mecircme colonne les eacuteleacutements qui ont des proprieacuteteacutes
chimiques tregraves voisines tout en ayant des numeacuteros et des masses atomiques diffeacuterents le
nombre de colonnes est imposeacute par un rangement croissant des numeacuteros atomiques
2- La structure du tableau actuel
On regroupe actuellement les eacuteleacutements en 5 blocs qui permettent de connaicirctre
immeacutediatement la configuration eacutelectronique dun atome importante pour ses proprieacuteteacutes
chimiques Ils sont disposeacutes de la faccedilon suivante
bloc1 H He
bloc s bloc p
Li Be B C N O F Ne
bloc d
Sc Zn
bloc f
Le nom bloc s p d ou f correspond agrave la derniegravere OA remplie dans la configuration
eacutelectronique de lrsquoatome dans son eacutetat fondamental
Chaque ligne sappelle aussi une peacuteriode et deacutebute par le remplissage drsquoune sous-couche ns
puis finit par le remplissage drsquoune sous-couche np
On rencontre sur la xegraveme
ligne du tableau dans lrsquoordre lorsque la sous-couche existe
x s (x-2) f (x-1) d x p
le bloc 1 peut apparaicirctre de diffeacuterentes maniegravere mais en geacuteneacuteral lrsquohydrogegravene (H) se trouve
dans la premiegravere colonne du tableau peacuteriodique et lrsquoheacutelium (He) dans la derniegravere
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21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
2013-2014 Architecture de la matiegravere
21
On trouve donc
- le bloc 1 qui contient H et He He eacutetant disposeacute dans la colonne des gaz nobles car il en a les
prorieacuteteacutes
- le bloc s qui correspond agrave une orbitale du dernier eacutelectron (le plus haut en eacutenergie dans lrsquoeacutetat
fondamental) de type s
- le bloc p qui correspond de mecircme agrave une orbitale de type p pour le dernier eacutelectron
- le bloc d qui sinsegravere entre les blocs s et p agrave partir du moment ougrave lon remplit la sous couche
3d puis 4d et 5d Il contient trois lignes
- le bloc f comprenant deux lignes et qui sintercale entre les blocs s et d agrave partir de la sous-
couche 5d Il correspond au remplissage des sous-couches 4f puis 5f
3- Remplissage du tableau
1 18
1 1
H 10079 2
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
2 He 4002
6
2 3 Li
6941
4 Be
90122
5 B
1081
1
6 C
1201
1
7 N
1400
7
8 O
1599
9
9 F
1899
8
10 Ne 2018
0
3 11 Na 2299
12 Mg
24305
13 Al
2698
2
14 Si
2808
6
15 P
3097
4
16 S
3206
6
17 Cl
3545
3
18 Ar 3994
8
4 19
K 3909
20 Ca
40078
21 Sc
4495
6
22 Ti
4786
7
23 V
5094
2
24 Cr 5199
6
25 Mn 5493
8
26 Fe
5584
5
27 Co 5893
3
28 Ni
5869
3
29 Cu 6354
6
30 Zn 6539
31 Ga 6972
3
32 Ge 7264
33 As
7492
2
34 Se
7896
35 Br
7990
4
36 Kr 8380
5 37 Rb 8546
38 Sr
8762
39 Y
8890
6
40 Zr
9122
4
41 Nb 9290
6
42 Mo 9594
43 Tc (98)
44 Ru 1010
7
45 Rh 1029
1
46 Pd 1064
2
47 Ag 1078
7
48 Cd 1124
1
49 In
1148
2
50 Sn
1187
1
51 Sb
1217
6
52 Te
1276
0
53 I
1269
0
54 Xe 1312
9
6 55 Cs
1329
56 Ba
13733
57 -
71
La-
Lu
72 Hf
1784
9
73 Ta 1809
5
74 W
1838
4
75 Re 1862
1
76 Os 1902
3
77 Ir
1922
2
78 Pt
1950
8
79 Au 1969
7
80 Hg 2005
9
81 Tl
2043
8
82 Pb 2072
83 Bi
2089
8
84 Po (209)
85 At
(210)
86 Rn (222)
7 87 Fr
(223)
88 Ra (226)
89 -
103
Ac-
Lr
104 Rf
(261)
105 Db (262)
106 Sg
(266)
107 Bh (264)
108 Hs (277)
109 Mt (268)
110 Ds (281)
111 Uuu (272)
112 Uub (285)
114 Uuq (289)
Lanthanides
57 La 1389
1
58 Ce 1401
2
59 Pr
1409
1
60 Nd 1442
4
61 Pm (145)
62 Sm 1503
6
63 Eu 1519
6
64 Gd 1572
5
65 Tb 1589
3
66 Dy 1625
0
67 Ho 1649
3
68 Er
1672
6
69 Tm 1689
3
70 Yb 1730
4
71 Lu 1749
7
Actinides
89 Ac (227)
90 Th 2320
4
91 Pa
2310
4
92 U
2380
3
93 Np (237)
94 Pu (244)
95 Am (243)
96 Cm (247)
97 Bk (247)
98 Cf
(251)
99 Es
(252)
100 Fm (257)
101 Md (258)
102 No (259)
103 Lr (262)
SOLIDE LIQUIDE GAZ 100 degC 101 kPa EacuteLEacuteMENT
ARTIFICIEL
La preacutesentation de cette classification peacuteriodique est leacutegegraverement diffeacuterente de la preacuteceacutedente
pour le bloc f (voir exceptions La et Ac) Les noyaux radioactifs sont en blanc
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22
Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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23
a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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26
Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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27
2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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28
Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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Il est lieacute au remplissage successif des diffeacuterentes sous-couches selon lrsquoordre donneacute par la
regravegle de Klechkowsky et correspond donc agrave un classement des eacutelectrons selon le numeacutero
atomique ou nombre de charge Z croissant
Z = 1 hydrogegravene 1s1
Z = 2 heacutelium 1s2
Z = 3 lithium 1s2 2s
1
Z = 4 beacuteryllium 1s2 2s
2
ainsi de suite jusquagrave
Z = 10 neacuteon 1s2 2s
2 2p
6
La couche 2 est alors pleine On remplit de mecircme les sous couche 3s et 3p du sodium Na
jusquagrave lArgon Ar Ensuite vient la sous-couche 4s avec K et Ca Alors commence le
remplissage de la sous-couche 3d correspondant aux eacuteleacutements de transition
Il est donc relativement facile de trouver la configuration eacutelectronique drsquoun atome agrave
lrsquoaide de sa position dans la classification peacuteriodique Par ailleurs on utilise une
nomenclature ([X] signifie configuration eacutelectronique de X agrave nrsquoutiliser qursquoavec les gaz
nobles) permettant de ne pas deacutetailler les eacutelectrons de cœur nrsquoayant pas drsquoinfluence sur
la formation des liaisons et la reacuteactiviteacute chimique
F Z = 9 [He] 2s2 2p
5 2
egraveme ligne 17
egraveme colonne sans bloc d
Al Z = 13 [Ne] 3s2 3p
1 3
egraveme ligne 13
egraveme colonne sans bloc d
Ni Z = 28 [Ar] 4s2 3d
8 4
egraveme ligne 10
egraveme colonne
Pm Z = 61 [Xe] 6s2 4f
5 6
egraveme ligne 5
egraveme colonne du bloc f
Les eacuteleacutements drsquoune mecircme colonne (groupe famille) possegravede donc la mecircme
configuration de valence On observe donc dans la classification peacuteriodique une
peacuteriodiciteacute dans la configuration fondamentale des atomes
4- Quelques familles
Les eacuteleacutements qui sont dans une mecircme colonne du tableau peacuteriodique ont des proprieacuteteacutes
chimiques et forment une famille ou un groupe Lrsquohydrogegravene est agrave part Les colonnes sont
numeacuteroteacutees de 1 agrave 18
Certaines familles ont reccedilu un nom particulier
- colonne 1 Li Na Khellip les alcalins
- colonne 2 Ca Sr Ba Ra les alcalino-terreux
- colonnes 3 agrave 12 bloc d les eacuteleacutements de transition pour la tregraves grande majoriteacute
- colonne 13 B Al Gahellip les meacutetaux trivalents
- colonnes 14 agrave 16 les meacutetalloiumldes
- colonne 17 F Cl Br I les halogegravenes
- colonne 18 He Ne Ar Krhellip les gaz nobles (ex-gaz rares)
Dans la classification peacuteriodique la majoriteacute des eacuteleacutements sont des meacutetaux Il nrsquoy a que dans la
partie en haut agrave droite qursquoil y a des non-meacutetaux
A titre dexemple nous allons voir les proprieacuteteacutes principales de quatre de ces familles
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a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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a Les alcalins
Ce sont les eacuteleacutements de la premiegravere colonne Li Na K Rb Cs Fr
Lhydrogegravene ne fait pas partie de cette famille Ce nrsquoest pas un meacutetal et il forme deux ions le
proton H+ (1s
0) et lrsquoion hydrure H
- tregraves basique (1s
2 = [He])
Ces eacuteleacutements ont un seul eacutelectron de valence quils vont pouvoir perdre assez facilement afin
drsquoobtenir une structure eacutelectronique de gaz noble
Ce seront donc des meacutetaux fortement reacuteducteurs
Na(s) Na+(aq) + e
-
Ils formeront essentiellement des composeacutes ioniques car lrsquoion sodium I Na+ est tregraves stable du
fait drsquoune configuration eacutelectronique de type gaz noble [Ne]
Ils reacuteagissent fortement avec lrsquoeau pour donner du dihydrogegravene et des ions hydroxydes OH-
Na(s) + H2O(l) Na+(aq) + OH
-(aq) + frac12 H2(g)
On dit aussi que ce sont des eacuteleacutements eacutelectropositifs car ce sont des atomes qui ont tendance
agrave ceacuteder facilement des eacutelectrons
b Les halogegravenes
Ce sont les eacuteleacutements de la 17egraveme
colonne F Cl Br I At
Il manque agrave ces eacuteleacutements un eacutelectrons de valence pour obtenir la structure de gaz noble qui les
suit Ce seront donc de forts oxydants
Cl + e- Cl
-
Au degreacute drsquooxydation 0 il nrsquoexiste pas agrave lrsquoeacutetat atomique mais sous forme de moleacutecule
diatomique dont lrsquoeacutetat physique dans les conditions standard deacutepend de lrsquoeacuteleacutement Cl2(g)
Br2(l) et I2(s) Les dihalogegravenes sont souvent noteacutes X2 et on a donc la demi-eacutequation
eacutelectronique suivante
X2 + 2 e- 2 X
-
On dit quils sont fortement eacutelectroneacutegatifs car ce sont des atomes qui ont tendance agrave capter
facilement des eacutelectrons
La reacuteaction en phase segraveche du sodium meacutetallique avec le dichlore gazeux est donc la reacuteaction
drsquooxydoreacuteduction suivante
2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s)
c Les gaz nobles
Ce sont les eacuteleacutements de la 18egraveme
colonne ou derniegravere colonne Ils se trouvent agrave lrsquoeacutetat gazeux
sur de grandes gammes de pression et de tempeacuterature agrave lrsquoeacutetat atomique
Leurs sous-couches et donc leurs couches eacutelectroniques sont toutes complegravetes ce qui leur
confegravere une stabiliteacute particuliegravere Ils nrsquoont donc pas tendance agrave perdre ou gagner des eacutelectrons
en formant des ions car ils perdraient alors ce facteur favorable De mecircme ils ne forment qu
tregraves rarement des moleacutecules (contre-exemple XeO4)
Ils sont donc particuliegraverement inertes chimiquement
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d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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24
d Les eacuteleacutements de transition
On appelle eacuteleacutement de transition tout eacuteleacutement caracteacuteriseacute par un sous-niveau d
partiellement rempli que ce soit agrave lrsquoeacutetat atomique ou dans un eacutetat drsquooxydation usuel (ion
stable)
Le scandium Sc 2 1Ar 4s 3d est un eacuteleacutement de transition
Par contre le zinc Zn 2 10Ar 4s 3d existant aussi sous-forme 2Zn 0 10Ar 4s 3d
nrsquoest pas un eacuteleacutement de transition
Tous les eacuteleacutements du bloc d sont des meacutetaux Les eacuteleacutements situeacutes agrave gauche ont des proprieacuteteacutes
voisines de celles des meacutetaux du bloc s tandis que ceux agrave droite srsquoapparentent plus aux meacutetaux
du bloc p Pour cette raison ils sont qualifieacutes de meacutetaux de transition
Ils forment souvent plusieurs types de cations Par exemple le fer donne naissance aux ions
Fe2+
et Fe3+
le cuivre agrave Cu+ et Cu
2+ et le cobalt agrave Co
2+ et Co
3+
Ces cations sont souvent paramagneacutetiques et ils ont tendance agrave srsquoassocier agrave des moleacutecules ou agrave
des ions pour former des complexes Nous les eacutetudierons en seconde peacuteriode
Ils interviennent dans de nombreux processus biologiques gracircce agrave cette faculteacute agrave former des
complexes Ils interviennent notamment dans le transport de lrsquooxygegravene dans le sang via
lrsquoheacutemoglobine qui est un complexe avec 4 cations deacuteriveacutes du fer ainsi que dans de
nombreuses vitamines
N
N
N
N Fe N
N
2+
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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25
V- Evolution de quelques proprieacuteteacutes au sein de la classification peacuteriodique
Nous allons eacutetudier comment varient un certain nombre de proprieacuteteacutes lorsque lrsquoon se
deacuteplace sur une ligne ou une colonne de la classification peacuteriodique On srsquointeacuteressera
essentiellement agrave lrsquoeacutevolution dans les blocs s et p Les eacutevolutions des eacuteleacutements de transition
seront vues en remarque
1 Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute est un concept qualitatif qui ne se mesure pas directement Suivant le
domaine de la chimie on donne des deacutefinitions diffeacuterentes de lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute qui
conduisent agrave des valeurs diffeacuterentes mais coheacuterentes entre elles
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute (noteacutee ) traduit lrsquoaffiniteacute drsquoun atome pour les eacutelectrons
Si un atome A est lieacute chimiquement agrave un autre atome B les eacutelectrons de liaison sont attireacutes
vers le plus eacutelectroneacutegatif des deux atomes On dit que la liaison est polariseacutee et il y a une
charge leacutegegraverement neacutegative sur le plus eacutelectroneacutegatif et une charge leacutegegraverement positive sur le
moins eacutelectroneacutegatif (le plus eacutelectropositif)
Si A gtB A- B
+
Si les eacutelectroneacutegativiteacutes sont eacutegales la liaison est covalente et nrsquoa pas de caractegravere ionique
comme par exemple pour H2 ou Cl2
Si elles sont diffeacuterentes la liaison est polaire ou agrave caractegravere ionique comme par
exemple HCl
Si le transfert drsquoeacutelectron est complet la liaison est ionique comme par exemple dans le
cristal NaCl
Plusieurs meacutethodes drsquoeacutevaluation indirecte ont donneacute lieu agrave des eacutechelles drsquoeacutelectroneacutegativiteacute
La plus ancienne est lrsquoeacutechelle de Pauling et sert encore de reacutefeacuterence en particulier en chimie
organique Elle utilise la notion drsquoeacutenergie de liaison dans les moleacutecules AA BB et AB
Lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Allred et Rochow fait intervenir le nombre atomique effectif Z(vu plus
tard)
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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Electroneacutegativiteacute de Mulliken et de Pauling dans la classification peacuteriodique
Lrsquoatome de fluor est le plus eacutelectroneacutegatif de la classification peacuteriodique puis viennent
lrsquooxygegravene le chlore le brome et lrsquoiode
De maniegravere geacuteneacuterale lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute augmente dans une ligne de la classification
peacuteriodique et diminue quand on descend dans une colonne
pour les eacutelectrons ns et np
Pour les eacuteleacutements du bloc d PI et AE sont faibles donc lrsquoeacutelectroneacutegativiteacute de Mulliken
pour les meacutetaux de transition est faible et varie peu
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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2 Rayon atomique rayon ionique
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
La reacutesolution des eacutequations de meacutecanique quantiques nous donne
Pour lhydrogegravene 2
0
0 529
r n a
a pm
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
Pour les hydrogegravenoiumldes 2
0
nr a
Z
a0 est le rayon de Bohr soit le rayon de latome dhydrogegravene dans son eacutetat fondamental
a Hydrogegravene et hydrogeacutenoiumldes
Pour les atomes polyeacutelectroniques on sinteacuteresse agrave la taille des la derniegravere OA remplie
Pour les atomes polyeacutelectroniques la reacutesolution exacte des eacutequations de meacutecanique
quantique est impossible donc on se ramegravene dans un modegravele simplifieacute dit de Slater agrave un
eacutelectron en interaction avec un noyau de charge modifieacutee par les effets deacutecran des autres
eacutelectrons situeacutes entre leacutelectron consideacutereacute et le noyau
Lideacutee maicirctresse
On considegravere chaque eacutelectron comme plongeacute dans le champ eacutelectrostatique creacuteeacute par le
noyau et les autres eacutelectrons Comme ceux-ci ont une charge neacutegative ils repoussent un peu
leacutelectron qui est attireacute par la charge positive Ze Tout se passe comme si leacutelectron eacutetait seul
avec un noyau de charge Z = Z - Z
sappelle la charge effective vue par leacutelectron
sappelle la constante deacutecran et peut ecirctre calculeacutee agrave partir des regravegles de Slater eacutenonceacutees plus
loin Le noyau est eacutecranteacute par les eacutelectrons situeacutes entre le noyau et lrsquoeacutelectron consideacutereacute
Tous les reacutesultats que nous avons vus pour latome dhydrogegravene sont applicables agrave chaque
eacutelectron gravitant autour drsquoun noyau de charge Ze Cet eacutelectron sera donc deacutecrit par ses
nombres quantiques n l m et ms La notion de couche est conserveacutee La charge effective
interviendra essentiellement au niveau de leacutenergie de lrsquoeacutelectron et au niveau des parties
radiales des fonctions donde
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
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Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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Les regravegles de Slater
Ces regravegles permettent deacutetablir la valeur de la constante deacutecran pour un eacutelectron
connaissant la configuration eacutelectronique de latome
Les ideacutees principales sont
- un eacutelectron qui est sur une couche supeacuterieure neacutecrante pas le noyau pour des
eacutelectrons de couches infeacuterieures car il est en moyenne plus loin du noyau son effet est donc
quasi nul
- un eacutelectron de la mecircme couche eacutecrante un peu le noyau on compte = 035 (030
pour la couche n = 1)
- un eacutelectron de la couche juste au-dessous eacutecrante assez bien on compte = 085
- un eacutelectron deux couches au -dessous ou plus est tregraves souvent pregraves du noyau il
eacutecrante donc tregraves bien et on compte = 1
- on fait la somme des effets drsquoeacutecran de tous les eacutelectrons pour avoir la constante
deacutecran complegravete
Ces reacutesultats sont eacutegalement reacutesumeacutes dans le tableau suivant ougrave sont donneacutees les
constantes drsquoeacutecran pour un eacutelectron de niveau n eacutecranteacute par un eacutelectron de niveau nrsquo
groupe Contribution des autres eacutelectrons
de lrsquoeacutelectron couches couche autres eacutelectrons couche n
eacutetudieacute nrsquoltn-1 n-1 s p d f
1s - - 030 - -
ns np 1 085 035 0 0
nd 1 1 1 035 0
nf 1 1 1 1 035
Le problegraveme du modegravele de Slater est qursquoil ne fait pas la distinction entre lrsquoeacutenergie drsquoun
eacutelectron ns et celle drsquoun eacutelectron np or dans un atome polyeacutelectronique ces eacutelectrons sont agrave
des niveaux drsquoeacutenergie diffeacuterents
Exemple
phosphore (P Z=15) 1s2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
3
Calcul des constantes drsquoeacutecran
1s = 030 Z1s = 1470
2s 2p = 2x085+7x035 = 415 Z2s2p = 1085
3s 3p = 2x1+8x085+4x035 = 1020 Z3s3p = 48
La charge effective ressentie par les eacutelectrons de cœur est beaucoup plus importante que
celle ressentie par les eacutelectrons de valence
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
2013-2014 Architecture de la matiegravere
29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
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Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
2013-2014 Architecture de la matiegravere
29
Leacutenergie des orbitales de Slater (HP)
Dapregraves les reacutesultats obtenus pour un atome monoeacutelectronique on obtient
- eacutenergie dun eacutelectron en couche n E EZ
nn
0
2
2
( )
ougrave n est le nombre quantique apparent
n 1 2 3 4 5 6
n 10 20 30 37 40 42
- rayon de lrsquoorbitale de Slater rn
Za
2
0
Quand Z augmente lrsquoorbitale se contracte
Plus n est grand plus lrsquoorbitale est diffuse
Le rayon drsquoune orbitale de valence est donc plus grand que celui drsquoune orbitale de cœur
Sur une ligne ajout drsquoun eacutelectron Z + 1 + 035
Z + 065
Dans une colonne ajout drsquoun eacutelectron Z + 8 (18) + fraction de 8 (18)
Z augmente
Z
pour les eacutelectrons ns et np
2 Rayon atomique
Le rayon atomique est la distance r agrave partir du noyau pour laquelle D(r) est
maximale
Cela correspond de maniegravere pratique au rayon de Van der Waals qui est le rayon de
latome gazeux isoleacute (sans interactions avec drsquoautres atomes) que lon peut estimer en eacutetudiant
leacutequation deacutetat du gaz de Van der Waals correspondant
Dans le modegravele de Slater
rn
Za
2
0
Le modegravele de Slater est tregraves approximatif mais nous raisonnerons agrave partir de ce modegravele car
crsquoest le seul modegravele quantitatif que nous ayons agrave notre disposition Plus on descendra dans la
classification peacuteriodique plus la conclusion srsquoeacuteloignera de la reacutealiteacute
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
2013-2014 Architecture de la matiegravere
30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
PCSI 1 Structure de lrsquoatome et classification peacuteriodique S Falcou
2013-2014 Architecture de la matiegravere
30
Evolution de Z dans la classification peacuteriodique
Sur une ligne n est fixeacute Z augmente
r diminue (contraction des OA)
Dans une colonne n augmente de 1 Z augmente de 2 8 18
augmente dune fraction de 2 8 18
donc Z augmente
Il est donc difficile de donner une justification agrave lrsquoaide du modegravele de Slater
Le passage drsquoune fin de ligne agrave un deacutebut correspond agrave une brusque augmentation de
r
r augmente dans une colonne(OA de plus en plus diffuse)
r
pour les eacutelectrons ns et np
En fait le rayon drsquoun atome est modifieacute suivant lrsquoeacutedifice chimique auquel il participe Crsquoest
pourquoi un atome peut avoir diffeacuterent rayon en fonction de lrsquoeacutedifice chimique auquel il
participe rayon covalent rayon ionique rayon meacutetallique
Remarque le rayon ionique
Les anions sont plus gros que les atomes correspondants
En effet augmente et donc Z diminue agrave n constant Plus lrsquoanion est chargeacute plus il est
gros
Les cations sont plus petits que les atomes correspondants
En effet diminue et donc Z augmente agrave n constant Plus le cation est chargeacute plus il est
petit
Conclusion
Lrsquoeacutetude de la structure des atomes et des diffeacuterentes proprieacuteteacutes de ces atomes va nous
permettre de comprendre
comment les eacutedifices polyatomiques se constituent
la reacuteactiviteacute de ces eacutedifices chimiques
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