Modèle Quantique de l'Atome et Organisation Electronique - Tutorat Paris XII PDF

De l’atome aux molécules 2...

De l’atome aux molécules 2 MODÈLE QUANTIQUE DE L’ATOME ET FS ORGANISATION ÉLECTRONIQUE Semaine et jour : S1 le 12/09/2023 RB : Belinda KUYUMCU Professeur : Mme Marie-Claire GAZEAU CM : Maelis Coutant et Sayahi Selvaratnam Plan du cours I. INTRODUCTION ET RAPPELS............................................................................................ 2 A. Couches et sous-couches........................................................................................................... 2 B. Cases quantiques........................................................................................................................ 2 II. LES RÈGLES A RESPECTER POUR REMPLIR LES CASES QUANTIQUES................... 3 A. Capacité d’accueil des niveaux d’énergie = principe d’exclusion de Pauli (1925).................. 3 B. Configuration électronique d’un atome...................................................................................... 3 C. Règle de Klechkovski.................................................................................................................. 4 D. Règle de Hund.............................................................................................................................. 4 E. Etats excités de l’atome............................................................................................................... 5 III. NOTION DE COUCHE DE VALENCE, CONFIGURATION DE LEWIS DE L’ATOME......... 5 ©Tutorat Paris XII 2023/2024 – De l’atome aux molécules : N°2 – Ce document n’est pas le support officiel Page 1 sur 5  I. INTRODUCTION ET RAPPELS Quel que soit le modèle de l’atome, la notion de niveaux d’énergie quantifiée et la définition des 4 nombres quantiques reste valable dans le modèle ondulatoire. C’est sur cette base que l’on peut édifier un schéma de l’organisation des électrons dans un atome. On va alors définir la configuration électronique d’un atome quelconque en ne connaissant que son numéro atomique Z (Z : nombre de protons = nombre d’électrons pour un atome neutre). Il va s’agir alors de répartir les électrons d’un atome entre un certain nombre de niveaux d’énergie. Lors de la résolution de l’Équation de Schrödinger, 3 nombres entiers (les nombres quantiques) sont nécessaires pour qualifier un électron. Un jeu donné de ces 3 nombres (n, l et m) « identifie » un électron dans un atome. Il caractérise l’énergie totale de l’électron qui prend une valeur telle que l’équation admet une solution Ψ (fonction d’onde) physiquement acceptable. Du carrée de Ψ, on peut déduire la géométrie de la région de l’espace dans lequel cet électron évolue. A. COUCHES ET SOUS-COUCHES L’ensemble des électrons possédant le même n constitue une couche électronique. Parmi les électrons d’une couche, ceux qui possèdent le même l constituent un sous-ensemble appelé sous- couche électronique. Parmi les électrons d’une sous-couche, s’ils possèdent le même nombre quantique m : Ils appartiennent à la même case quantique qui définit leur énergie. Ils évoluent dans la même orbitale (même répartition spatiale autour du noyau de l’atome). B. CASES QUANTIQUES Les cases quantiques sont définies comme des sous-ensembles d’électrons déterminés par les valeurs de leurs nombres quantiques (n, l, m)  états énergétiques possibles pour les électrons, que ces niveaux soient occupés ou non. On a vu : n = 1, 2, 3 … ∞ l = 0, 1, 2... n -2, n -1 m = - l et + l (2l+1 valeurs) Ces règles de dépendance entre les valeurs des nombres quantiques ont pour conséquence : Qu’il n’existe qu’un certain nombre de sous-couches dans une couche, Qu’il n’existe qu’un certain nombre de cases quantiques dans une sous-couche. Les cases quantiques sont représentées par des carrés. C’est dans celles-ci que l’on place les électrons. Les cases quantiques représentées accolées correspondent à une même énergie des électrons qui les occupent éventuellement. ©Tutorat Paris XII 2023/2024 – De l’atome aux molécules : N°2 – Ce document n’est pas le support officiel Page 2 sur 5 II. LES RÈGLES A RESPECTER POUR REMPLIR LES CASES QUANTIQUES A. CAPACITE D’ACCUEIL DES NIVEAUX D’ENERGIE = PRINCIPE D’EXCLUSION DE PAULI (1925) Dans un atome, il ne peut y avoir plus d’un électron décrit par un même ensemble de valeurs données aux 4 nombres quantiques (n, l, m et s). Dans une case quantique (définie par n, l et m), l’état des électrons ne peut différer que par la valeur de s (-1/2 ou +1/2). Cela veut dire qu’il existe au maximum 2 électrons par cases quantiques. S’il y a 2 électrons dans une case quantique, ils sont de spin opposé. Une case quantique sans électron = vacante Un électron dans une case quantique est un électron impair ou célibataire. Si 2 électrons occupent une même case quantique, ils sont appariés : ils constituent une paire d’électrons ou un doublet. B. CONFIGURATION ELECTRONIQUE D’UN ATOME C’est la façon dont les Z électrons de l’atome sont distribués entre les couches, les sous-couches et les cases quantiques ➔ Configuration électronique d’un atome permet d’expliquer ou de prévoir le comportement chimique de l’atome. Pour établir la configuration électronique d’un atome, il faut considérer que l’atome adopte spontanément l’état pour lequel son énergie totale est minimale  état fondamental = état le plus stable. Il suffit de « remplir » progressivement d’électrons les sous-couches dans l’ordre croissant de leur niveau d’énergie jusqu’à avoir ainsi « placé » la totalité des Z électrons. ATTENTION : il y a un chevauchement de l’ordre des énergies des sous-couches à partir de la 3ème couche. ©Tutorat Paris XII 2023/2024 – De l’atome aux molécules : N°2 – Ce document n’est pas le support officiel Page 3 sur 5  C. REGLE DE KLECHKOVSKI L’ordre des niveaux d’énergie des cases quantiques (ou orbitales) est résumé par cette règle dite de KLECHKOVSKI, retrouvée facilement grâce au diagramme. 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s… D. REGLE DE HUND Les électrons se placent d’abord à raison de 1 par case et ne s’apparient en doublet que s’ils sont plus nombreux que les cases. Ils se placent dans un maximum de cases quantiques de même énergie avant de saturer l’une d’elles. Exemple : Fer (Fe : Z = 26) ATTENTION : Les configurations d’électrons correspondant à des sous-couches à demi-remplies ou totalement saturées sont favorisées car cela leur confère une certaine stabilité. Exemple : Chrome (Cr : Z = 24) Cuivre (Cu : Z = 29) ©Tutorat Paris XII 2023/2024 – De l’atome aux molécules : N°2 – Ce document n’est pas le support officiel Page 4 sur 5  E. ETATS EXCITES DE L’ATOME Les atomes ne sont pas nécessairement, à tout moment, dans leur état fondamental. Un ou plusieurs de leurs électrons ayant reçu un supplément d’énergie peuvent se trouver dans un autre état que celui correspondant à l’énergie minimale : c’est l’état excité (toujours instable et de courte durée de vie). Retour à l’état fondamental = émission d’un photon. UN seul état fondamental mais beaucoup d’états excités possibles. III. NOTION DE COUCHE DE VALENCE, CONFIGURATION DE LEWIS DE L’ATOME Couche de valence = couche qui a le n (nombre quantique principal) le plus élevé = couche externe / périphérique. Couche de valence → Rôle principal dans les réactions chimiques → Formation des liaisons entre les atomes. Existence dans cette couche de doublets d’électrons, électron célibataire ou case quantique vide → Détermination des propriétés chimiques de l’atome. Représentation de LEWIS = représentation de la couche de valence des atomes Symbole de l’élément = noyau + électrons internes. Représentation uniquement des électrons externes (de la couche de valence) des atomes par la représentation de LEWIS. Quelques exemples : ©Tutorat Paris XII 2023/2024 – De l’atome aux molécules : N°2 – Ce document n’est pas le support officiel Page 5 sur 5