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Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 1 CHAPITRE 3 Le cortège électronique des atomes Couche K ( n = 1 ) Couche L ( n = 2 ) Couche M ( n = 3 ) Couche

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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 1 CHAPITRE 3 Le cortge lectronique des atomes Couche K ( n = 1 ) Couche L ( n = 2 ) Couche M ( n = 3 ) Couche N (n = 4) Gilbert Newton LEWIS
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 2 Un modle simple consiste considrer le cortge lectronique des atomes polylectronique comme tant constitu de couches concentriques caractrises chacune par un nombre quantique principal n (identique a celui du modle de Bohr). Chaque couche est elle mme constitue de plusieurs sous- couches caractrises par un deuxime nombre quantique. Enfin chaque sous couche est compose de plusieurs cases quantiques, chaque case tant caractrise par un troisime nombre quantique m ou plus simplement m. Modle en couches concentriques
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 3 Nombre quantique principal : n Ce premier nombre quantique provient directement du modle de Bohr Il s'agit d'un nombre entier non nul. Ce nombre caractrise le niveau occup par l'lectron, ou la couche qu'il occupe. La couche lectronique est parfois indique par une lettre MAJUSCULE au lieu de la valeur numrique de n. Valeur de n 1 2345678 Symbole de la couche K LMNOPQR
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 4 Couche K ( n = 1 ) Couche L ( n = 2 ) Couche M ( n = 3 ) Symbolisation du cortge lectronique : Les Z lectrons de l'atome neutre se rpartissent sur plusieurs couches successives de plus en plus loignes du noyau au fur et mesure de l'augmentation de n. Noyau Z protons N neutrons Couche N (n = 4)
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 5 Ce deuxime nombre quantique caractrise la sous-couche occupe par l'lectron. Nombre quantique secondaire (ou azimutal) : Il s'agit d'un nombre entier qui peut tre nul. Sa valeur est fonction de celle du nombre quantique principal n : 0 n - 1 (soit n valeurs diffrentes) La sous-couche lectronique est gnralement dsigne par une lettre minuscule au lieu de la valeur numrique de. Valeur de 012345 Symbole de la sous-couche spdfgh
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 6 Nombre quantique magntique : m ou m Il s'agit d'un nombre entier qui peut tre nul. Ce troisime nombre quantique caractrise la case quantique occupe par l'lectron. Sa valeur est fonction de celle du nombre quantique secondaire - m + (soit 2 + 1 valeurs diffrentes) Pour symboliser graphiquement ce nombre quantique, on utilise un rectangle On reprsentera autant de rectangles qu'il y a de valeurs possibles de m.
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 7 Ce quatrime nombre quantique caractrise le mouvement de l'lectron sur lui mme et peut prendre seulement deux valeurs diffrentes. Nombre quantique de spin : m s ou s s = 1/2 Pour symboliser graphiquement ce nombre quantique de spin, on utilise : - une flche vers le haut ( ) pour s = +1/2 - ou vers le bas ( ) pour s=-1/2. L'habitude veut que l'lectron de spin + 1/2 ( ) soit plac a gauche et l'lectron de spin -1/2 ( ) droite.
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 8 Le principe d'exclusion de Pauli : Les quatre nombres quantiques constituent "les papiers d'identit" des lectrons. Un jeu de 4 valeurs (n; ; m ; s) dcrit totalement la position d'un lectron dans un a tome Couche (n) / sous-couche ( ) / case quantique (m) / spin (s). Deux lectrons du mme atome ne peuvent avoir leur quatre nombres quantiques identiques. Consquence pratique : Dans une mme case quantique (n, et m sont donc fixs) on ne peut placer que deux lectrons au maximum avec leur nombre de quantique de spin opposs.
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 9 Les diverses couches successives : Couche K (n = 1) : Cette premire couche se dcompose en 1 seule sous- couche 1s puisque ne peut prendre que la valeur 0. Cette sous couche 1s est compose d'une seule case puisque m ne peut prendre que la valeur 0. n = 1 0 n - 1 = 0 - m + m = 0 Cette premire couche pourra contenir au maximum deux lectrons a spins anti-parallles = 0 1 s Sous-couche s 1 case quantique
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 10 Couche L ( n = 2 ) : n = 2 0 n - 1 = 0 - m + m = 0 = 0 = 1 - m + m = -1 ; 0 ; +1 = 1 2 s m = 0 2 p m = -1m = 0m = +1 Sous-couche s Sous-couche p 1 case quantique 3 cases quantiques 2 e - maxi 6 e - maxi 8 e- e- maxi au total
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 11 Couche M ( n = 3 ) : n = 3 0 n - 1 = 0 - m + m = 0 = 0 = 1 - m + m = -1 ; 0 ; +1 = 1 3 s m = 0 3 p m = -1m = 0m = +1 Sous-couche s Sous-couche p 1 case quantique 3 cases quantiques 2 e - maxi 6 e - maxi 18 e- e- maxi au total = 2 Sous-couche d - 2 m +2 m =-2 ; -1 ; 0 ; +1; +2 = 2 5 cases quantiques 10 e - maxi 3 d m = -2m = -1m = 0m = +1m = +2
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 12 Couche N ( n = 4 ) 4 s m = 0 4 p m = -1m = 0m = +1 4 d m = -2m = -1m = 0m = +1m = +2 4 f m = -3m = -2m = -1m = 0m = +1m = +2m = +3 32 e - maxi au total = 0 (4 s) = 1 (4 p) = 2 (4 d) = 3 (4 f) -3 m +3
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 13 Retenons la rgle gnrale permettant de prvoir le nombre d'lectron maximal que peut contenir une couche donne Gnralisation : Sous-couche Nombre de cases quantiques Nombre maxi dlectron n max = 2 n 2 spdf 1357 g 9 26101418
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 14 La configuration lectronique des lments : Etablir la configuration lectronique d'un lment (on dit aussi structure lectronique) consiste dcrire le cortge lectronique de celui-ci, c'est a dire a attribuer chaque lectron de l'atome une "place" (couche/sous-couche/case/spin), ou plus exactement dterminer pour chaque lectron les valeurs de ses quatre nombres quantiques. - l'ordre des niveaux ne suis pas rigoureusement l'ordre des valeurs croissante de n aprs l'lment de Z=20. Les lectrons vont remplir successivement les diverses couches (E = -E 0 /n 2 dans le modle de Bohr) on devrais suivre l'ordre croissant des valeurs de n. Cela n'est pas tout fait exact : - les diverses sous-couche n'ont pas exactement la mme nergie leur nergie dpend en premier lieu de la valeur de n
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 15 Rgle de Klechkowski : L'ordre de remplissage des diverses couches et sous-couches se fait par valeurs croissantes du couple (n + ). Si deux ou plusieurs couples (n + ) conduisent la mme somme, ils seront classs par ordre de n croissant. Il existe une rgle simple permettant de connatre l'ordre de remplissage des diverses couches et sous couches :
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 16 Sous-couchen n+ 1 s101 2 s202 2 p213 3 s303 3 p314 4 s404 3 d325 4 p415 5 s505 4 d426 5 p516 6 s606 4 f437 5 d527 6 p617 7 s707 5 f538 6 d628 ordre 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Il existe une faon plus simple (mnmotechnique) de se rappeler cet ordre de remplissage. Ordre de remplissage des niveaux : Rgle de Klechkowski
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 17 Le remplissage se fait selon les diagonales. Le nombre plac en exposant est le nombre maximal d'lectrons que peut contenir la sous-couche correspondante : soit 2 * (2 +1 ) = 4 + 2 1 s 2 2 s 2 p 6 3 s 3 p 3 d 10 4 s 4 p 4 d 4 f 14 5 s 5 p 5 d 5 f 5 g 18 6 s 6 p 6 d 6 f 6 g 7s 7 p 7 d 7 f 7 g 8 s K L M N O P Q R Rgle de Klechkowski (reprsentation mnmotechnique) On crit les diverses couches et sous-couches dans un tableau, chaque ligne correspondant une valeur de n.
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 18 Etablissement de la configuration lectronique d'un lment. Dans la trs grande majorit des cas, il suffit de suivre la rgle de Klechkowski pour obtenir cette configuration. Il existe toutefois des exceptions. Exemple 1 : Soit tablir la configuration lectronique de l'lment de Z = 53 1 s 2 2 s 2 p 6 3 s 3 p 3 d 10 4 s 4 p 4 d 4 f 14 5 s 5 p 5 d 5 f 5 g 18 6 s 6 p 6 d 6 f 6 g 7s 7 p 7 d 7 f 7 g 8 s K L M N O P Q R Ordre de remplissage selon Klechkowski : 1 s2 s2, 2 s2 s2, 2 p 6, 3s 2, 3 p 6, 4 s 2, 3 d 10, 4p 6, 5 s2 s2, 4 d 10, 5 p5p5 il est ncessaire de remettre les diverses couches et sous-couches dans leur ordre naturel par valeur croissantes de n : 1 s 2, 2 s 2, 2 p 6, 3s 2, 3 p 6, 3 d 10,4 s 2, 4p 6, 4 d 10, 5 s 2, 5 p 5 Ecriture simplifie : K 2, L 8, M 18, N 18, O 7
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 19 1 s 2, 2 s 2, 2 p 6, 3s 2, 3 p 6, 3 d 10,4 s 2, 4p 6, 5 s 1 1 s 2 2 s 2 p 6 3 s 3 p 3 d 10 4 s 4 p 4 d 4 f 14 5 s 5 p 5 d 5 f 5 g 18 6 s 6 p 6 d 6 f 6 g 7s 7 p 7 d 7 f 7 g 8 s K L M N O P Q R Exemple 2 : Soit tablir la configuration lectronique de l'lment de Z = 37 Ordre de remplissage selon Klechkowski : 1 s 2, 2 s 2, 2 p 6, 3s 2, 3 p 6, 4 s 2, 3 d 10, 4p 6, 5 s 1 Ecriture simplifie: K 2, L 8, M 18, N 8, O 1 Soit une fois remis dans l ordre
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  • Cours de T. BRIERE - ATOMES - Chapitre 3 20 Electrons de cur et lectrons de valence La configuration lectronique d'un lment constitue une description complte du cortge lectronique de celui-ci. En fait, il n'est pas ncessaire de l'crire entirement. Si on prend un atome simple Z = 14 par exemple, on trouve : 1s 2, 2s 2, 2 p 6, 3s 2, 3p 2 ou K 2, L 8, M 4 On peut reprsenter symboliquement l'atome correspondant en utilisant le modle simple des couches concentriques de la manire suivante : Couche K ( n = 1 ) Couche L ( n = 2 ) Couche M ( n = 3 ) Couche de Valence Couches de coeur Les trois couches occupes par des lectrons ne