Les Électrons

Modèle de Bohr

Noyau

Électron

Orbite

Niveau d’énergie

Modèle de BohrA

ccro

isse

men

t d’é

nerg

ie

Noyau

1

2

3

4

5 • En moyenne, les niveaux d’énergie les plus bas sont les plus rapprochés du noyau et les niveaux les plus élevés sont les plus éloignés.

La mécanique quantique• La théorie de la mécanique

quantique, qui sert encore de nos jours à décrire la structure atomique, a été élaborée dans les années vingt.

• Elle se fonde essentiellement sur les mathématiques et décrit les positions des électrons par des modèles de probabilités plutôt que par des voies ou des orbites spécifiques.

La mécanique quantique

• La forme simplifiée que nous présentons ici suffit pour expliquer et prédire la structure atomique et les propriétés chimiques des éléments représentatifs.

• Voici les principales caractéristiques de cette théorie.

a) Les protons sont contenus dans le noyau des atomes. Leur nombre correspond au numéro atomique.

La mécanique quantique

b) Les électrons se trouvent dans des séries de niveaux d’énergie à l’extérieur du noyau. Dans un atome neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons.

c) Dans un atome, le nombre de niveaux d’énergie occupés correspond généralement au numéro de la période dans le tableau périodique.

d) Les nombres maximum d’électrons pouvant occuper les trois premiers niveaux d’énergie sont 2, 8 et 18.

La mécanique quantique

e) L’état le plus stable d’un atome porte le nom d’état fondamental. Dans cet état, les électrons se trouvent aux niveaux d’énergie les plus bas possible.

f) Les électrons du niveau d’énergie le plus élevé d’un atome portent le nom d’électrons de valence. Dans le cas des éléments représentatifs, le nombre d’électrons correspond au dernier chiffre du numéro de groupe de l’atome.

Les niveaux d’énergie

• Les niveaux d’énergie sont représentés par la lettre n.

• n = 1 représente le premier niveau.• n = 2 représente le deuxième.• Etc.

Les sous-niveaux d’énergie et les orbitales• On désigne les sous-niveaux par les lettres s,

p, d, f et g.• On appelle orbitale l’espace susceptible

d’être occupé par une paire d’électrons.• Le nombre de sous-niveaux d’énergie dans

un niveau d’énergie est égal à n. Donc, le premier niveau n’a qu’un sous-niveau s. Le deuxième comprend les sous-niveaux s et p tandis que le troisième compte les sous-niveaux s, p, et d.

• Les orbitales s apparaissent à partir du niveau n = 1.

• L’orbitale s est de forme sphérique.

• Chaque orbitale s peut loger deux électrons et s’appelle 1s, 2s, 3s, etc..

Orbitales s

Orbitales p• Les orbitales p apparaissent à partir du niveau

n = 2. • On identifie les orbitales p en fonction de l’axe

du système de coordonnées xyz selon lequel l’orbitale est orientée.

• Chaque orbitale p peut loger deux électrons, alors 2p peut loger 6 électrons, car elle possède 2px, 2py et 2pz.

Orbitales p

Orbitales d• Les orbitales d apparaissent à partir du

niveau n = 3. • Chaque orbitale d peut loger dix électrons,

car elles possède 5 formes différentes.

Orbitales f

• Les orbitales f apparaissent à partir du niveau n = 4.

• Chaque orbitale f peut loger 14 électrons, car il possède 7 formes différentes.

Orbitales f

Résumé

s

p

d

f

# de formes

Électrons maximum

Apparaissent à partir du niveau

1 2 1

3 6 2

5 10 3

7 14 4

Les niveaux d’énergie

• Le premier niveau d’énergie n = 1.

• Il y a seulement 1 orbital s.

• Donc, il y a 2 électrons au maximum.

• 1s2

• Le deuxième niveau d’énergie n = 2.

• Il y a les orbitales s et p.

• Donc, il y a 2 + 6 = 8 électrons au maximum.

• 2s22p6

Les niveaux d’énergie

• Le troisième niveau d’énergie n = 3.

• Il y a les orbitales s, p et d.

• Donc, il y a 2 + 6 + 10 = 18 électrons au maximum.

• 3s23p63d10

• Le quatrième niveau d’énergie n = 4.

• Il y a les orbitales s, p, d et f.

• Donc, il y a 2 + 6 + 10 + 14 = 32 électrons au maximum.

• 4s24p64d104f14

Le nombre maximum d’électrons par niveau

• On trouve des électrons à chaque niveau d’énergie d’un atome.

• Dans un niveau, le plus grand nombre possible d’électrons équivaut à 2 n2.

• Ainsi, au premier niveau, n = 1, on trouve deux électrons.

• Au quatrième niveau, n = 4, on trouve 32 électrons.

L’ordre de remplissage des orbitales

• Pour représenter correctement la distribution des électrons dans l’atome, il faut suivre l’ordre de remplissage des orbitales.

• Afin de respecter cet ordre, on n’a qu’à observer les trois règles suivantes:

L’ordre de remplissage des orbitales

1. Remplir les orbitales ayant le plus bas niveau d’énergie avant celles de plus haut niveau.

2. Respecter le principe d’exclusion de Pauli. Dans un atome donné, deux électrons ne peuvent pas être caractérisés par le même ensemble de nombres quantiques (n, l, m, s).

3. Les électrons d’un même sous-niveau d’énergie doivent être distribués dans toutes les orbitales du sous-niveau avant de saturer à deux électrons ces orbitales. C’est la règle de Hund.

Éne

rgie

cro

issa

nte

1s

2s

3s

4s

5s6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

La configuration électronique• La configuration électronique est un

agencement des électrons dans les niveaux d’énergie d’un atome.

La configuration électronique de phosphore• Le phosphore a un numéro atomique de

15 alors nous devons représenter 15 électrons.

• Les premiers 2 électrons sont logés dans l’orbitale 1s.

• Il en reste encore 13 autres.É

nerg

ie c

rois

sant

e

1s

2s

3s

4s

5s6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

• Les deux prochains électrons sont logés dans l’orbitale 2s.

• Il en reste encore 11 autres.É

nerg

ie c

rois

sant

e

1s

2s

3s

4s

5s6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

• Les six prochains électrons sont logés dans l’orbitale 2p.

• Il en reste encore 5 autres.É

nerg

ie c

rois

sant

e

1s

2s

3s

4s

5s6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

• Les deux prochains électrons sont logés dans l’orbitale 3s.

• Il en reste 3 autres.

Éne

rgie

cro

issa

nte

1s

2s

3s

4s

5s6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

Éne

rgie

cro

issa

nte

1s

2s

3s

4s

5s6s

7s

2p

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

7p 6d

4f

5f

• Les derniers trois électrons sont logés dans l’orbitale 3p.

• 1s22s22p63s23p3

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2

• 2 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2 2s2

• 4 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2 2s2 2p6 3s2

• 12 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2

• 20 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2 3d10 4p6 5s2

• 38 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2 3d10 4p6 5s2

4d10 5p6 6s2

• 56 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2 3d10 4p6 5s2

4d10 5p6 6s2 4f14

5d10 6p6 7s2

• 88 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

• 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2 3d10 4p6 5s2

4d10 5p6 6s2 4f14

5d10 6p6 7s2 5f14

6d10 7p6

• 108 électrons

Truc mnémonique pour respecter l’ordre de remplissage

1s2s 2p3s 3p 3d4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d 6f7s 7p 7d 7f

La configuration électronique des familles

• La configuration électronique est un agencement des électrons dans les niveaux d’énergie d’un atome.

1s1

1s22s1

1s22s22p63s1

1s22s22p63s23p64s1

1s22s22p63s23p64s23d104p65s1

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d10 5p66s1

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2

4f145d106p67s1

H1

Li3

Na11

K19

Rb37

Cs55

Fr87

He2

Ne10

Ar18

Kr36

Xe54

Rn86

1s2

1s22s22p6

1s22s22p63s23p6

1s22s22p63s23p64s23d104p6

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d10

5p66s24f145d106p6

• Tous les métaux alcalins finissent par s1.

• Tous les métaux alcalino-terreux finissent par s2.

• L’hélium a les propriétés d’un gaz rare et sa configuration électronique finit par s2.

s2s1Les orbitales s

Les métaux de transition et les orbitales d

d1 d2 d3s1

d5 d5 d6 d7 d8s1

d10 d10

Les orbitales pp1 p2 p3 p4 p5 p6

Les orbitales f

f1 f5f2 f3 f4

f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f14

f13

• Les orbitales s apparaissent à partir du niveau n=1.• Les orbitales p apparaissent à partir du niveau n=2.

1

2

3

4

5

6

7

• Les orbitales d apparaissent à partir du niveau n=3.

1

2

3

4

5

6

7

3d

• Les orbitales f apparaissent à partir du niveau n=4.

1

2

3

4

5

6

7 4f

5f

La configuration électronique expression abrégée.

• La configuration électronique du sodium est donc 1s2 2s2 2p6 3s1.

• Pour éviter d’écrire la configuration électronique des couches internes, on emploie souvent une forme abrégée, [Ne] 3s1, dans laquelle [Ne] remplace la configuration électronique du néon (1s2 2s2 2p6).

La configuration électronique expression abrégée.

• Écrivez le symbole du dernier gaz rare avant l’élément et …

• ensuite celui de l’élément.• Écrivez la configuration électronique

longue et abrégée d’Al.• longue: Al est 1s22s22p63s23p1

• abrégée: si Ne est 1s22s22p6

• Alors Al est [Ne] 3s23p1

Exemples

• Ge = 1s22s22p63s23p64s23d104p2

• Ge = [Ar] 4s23d104p2

• Hf = 1s22s22p63s23p64s23d104p65s2

4d105p66s24f145d2

• Hf = [Xe]6s24f145d2

Les Exceptions

Écrire la configuration électronique des éléments suivants:

• Ti – Le titane a 22 électrons.• 1s22s22p63s23p64s23d2

• V – Le vanadium a 23 électrons.• 1s22s22p63s23p64s23d3

• Cr – Le chrome a 24 électrons.• 1s22s22p63s23p64s23d4 , mais c’est faux!

Le chrome

• La vraie configuration électronique du chrome est:

• 1s22s22p63s23p64s13d5

• Pourquoi?• Parce que ceci nous donne deux orbitales

demi remplies et elles ont moins d’énergie.• Ce principe s’applique aussi à l’élément

cuivre.

Le cuivre

• Cu – Le cuivre a 29 électrons.• 1s22s22p63s23p64s23d9

• La vraie configuration électronique du cuivre est:

• 1s22s22p63s23p64s13d10