Thierry Briere - T.D Initiation à la chimie théorique - http://www.chimie-briere.com

SERIE 3 - Configurations électroniques - Nombres Quantiques -

Notion de Couche et de sous-couche - Classification périodique

Exercice 1 :

Etablir les configurations électroniques des atomes suivants. Vérifier le résultat obtenu sur une classification périodique. Justifier les éventuelles anomalies.

As(Z=33) - Fe(Z=26) - Br(Z=35) - Cs(Z=55) - Cr (Z=24) - Mo (Z=42) - Au (Z=79) -

Règle de Klechkowski :

A quelques exceptions près, le remplissage des couches et des sous-couches se fait dans l’ordre des valeurs de ( n + l ) croissant. Si plusieurs combinaisons possibles conduisent à la même valeur, on choisit celle possédant la plus petite valeur de n . La représentation suivante est une méthode mnémotechnique permetant de retrouver facilement cet ordre de remplissage :

As : Z = 33

Configuration "lue sur le tableau" : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p³

Il convient de réécrire cette configuration dans l'ordre naturel.

Ecriture complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰4s² 4p³

On peut aussi utiliser deux notations simplifiées :

Ecriture simplifiée [gaz rare] : [Ne] 3d¹⁰ 4s² 4p³

Ecriture simplifiée "couches uniquement" K² L⁸ M¹⁸ N⁵

Fe : Z = 26

Configuration "lue sur le tableau" : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

Il convient de réécrire cette configuration dans l'ordre naturel.

Ecriture complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²

On peut aussi utiliser deux notations simplifiées :

Ecriture simplifiée [gaz rare] : [Ne] 3d⁶ 4s²

Ecriture simplifiée "couches uniquement" K² L⁸ M¹⁴ N²

Br : Z = 35

Configuration "lue sur le tableau" : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵

Il convient de réécrire cette configuration dans l'ordre naturel.

Ecriture complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁵

On peut aussi utiliser deux notations simplifiées :

Ecriture simplifiée [gaz rare] : [Ne] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵

Ecriture simplifiée "couches uniquement" K² L⁸ M¹⁸ N⁷

Cs : Z = 55

Configuration "lue sur le tableau" : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s¹

Il convient de réécrire cette configuration dans l'ordre naturel.

Ecriture complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 6s¹

On peut aussi utiliser deux notations simplifiées :

Ecriture simplifiée [gaz rare] : [Xe] 6s¹

Ecriture simplifiée "couches uniquement" K² L⁸ M¹⁸ N¹⁸ O⁸ P¹

Pour les éléments suivants nous écrirons directement la configuration simplifiée faisant apparaître la structure du gaz rare qui est la plus pratique.

Configurations prévues par la règle de Klechkowski

Chrome (Cr) : Z = 24 = 18 + 6 à ( Ar ) 4s² 3d⁴ ( Ar ) 3d⁴ 4s²

Molybdène (Mo) : Z = 42 = 36 + 6 à ( Kr ) 5s² 4d⁴ ( Kr ) 4d⁴ 5s²

Or (Au) : Z = 79 = 54 + 25 à ( Xe ) 6s² 4f¹⁴ 5d⁹ ( Xe ) 4f¹⁴ 5d⁹ 6s²

Comparaison avec les configurations électroniques réelles :

La règle de Klechkowski ne permet pas d’obtenir à coup sur la configuration électronique réelle des atomes. A partir de n = 3 de nombreuses exceptions à cette règle apparaissent. Nous ne chercherons pas à justifier toutes ces exceptions mais on peut expliquer certaines d’entre elles en admettant qu’une sous-couche totalement remplie ou à demi-remplie apporte une stabilité supplémentaire.

Ainsi la configuration d⁵ s¹ est-elle plus stable que la configuration d⁶ s² ( Cr et Mo)

De même la configuration d¹⁰ s¹ est plus stable que la configuration d⁹ s² ( Au )

Les configurations réelles de ces trois éléments sont donc :

Cr : ( Ar ) 3d⁵ 4s¹ - Mo : ( Kr ) 4d⁵ 5s¹ - Au : ( Xe ) 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹

Nous admettrons cette règle et l’appliquerons quand ces cas semblables se présenteront.

Nous rencontrerons des situations analogues lors de l’étude des énergies de première ionisation et pour expliquer la formation de certains ions.

Remarque : Si la configuration est modifiée la position dans la classification périodique ne l’est pas.

Exercice 2 :

Les affirmations suivantes sont-elles exactes ou inexactes? Pourquoi ?

a) Si l=1, l’électron est dans une sous couche d.

b) Si n=4 l’électron est dans la couche O.

c) Pour un électron d, m peut être égal à 3.

d) Si l=2, la sous-couche correspondante peut recevoir au plus 6 électrons

e) Le nombre n d’un électron d’une sous-couche f peut être égal à 3.

f) Si deux " édifices atomiques " ont la même configuration électronique, il s’agit forcément du même élément.

g) Si deux " édifices atomiques " ont des configurations électroniques différentes il s’agit forcément de deux éléments différents.

Rappels sur les 4 nombres quantiques :

Nombre quantique principal n : entier non nul, caractérise la couche occupée par l'électron, la couche est aussi symbolisée par une lettre majuscule avec la correspondance suivante :

Nombre quantique secondaire (ou azimutal) l : nombre entier avec 0 £ l £ n - 1 caractérise la sous-couche occupée par l'électron. La sous-couche est aussi symbolisée par une lettre minuscule avec la correspondance suivante :

Nombre quantique magnétique m : Nombre entier avec -l £ m £ +l caractérise la "case quantique" occupée par l'électron peut être aussi symbolysée graphiquement par une case rectangulaire.

Nombre quantique de spin s : ne peut prendre que deux valeurs : s = ± 1/2, peut être symbolisé graphiquement par une flèche verticale ( dirigée vers le haut ­ pour s = + 1/2 ou dirigées vers le bas ¯ pour s = - 1/2.

a) Si l = 1, l’électron est dans une sous couche d.

l = 1 à sous-couche p : FAUX

b) Si n = 4 l’électron est dans la couche O.

n = 4 à couche N : FAUX

c) Pour un électron d, m peut être égal à 3.

d à l = 2 à m_l = -2, -1, 0, 1, 2 : FAUX

d) Si l = 2, la sous-couche correspondante peut recevoir au plus 6 électrons.

l = 2 à m_l = -2, -1, 0, 1, 2 à 5 cases quantiques à 10 électrons maximum : FAUX

e) Le nombre n d’un électron d’une sous-couche f peut être égal à 3.

n = 3 à l = 0, 1, 2 (s,p,d) à pas de f sur couche 3 : FAUX

f) Si deux " édifices atomiques " ont la même configuration électronique, il s’agit forcément du même élément.

" édifice atomique " = atome " neutre " ou ion

Un ion a la même configuration électronique qu’un atome neutre d’un autre élément :  FAUX

Exemples : Na⁺ , Ne et O^2- ont la même configuration électronique.

g) Si deux " édifices atomiques " ont des configurations électroniques différentes il s’agit forcément de deux éléments différents.

L’ion et l’atome neutre du même élément ont forcement des configurations électroniques différentes : FAUX

Exercice 3 :

Indiquez en le justifiant le nombre d'éléments présents dans les 2ème, 3ème , 4ème et 5ème périodes de la classification. Indiquez dans chaque cas le nombre d'éléments de transition.

La classification périodique est un reflet quasi fidèle de la règle de Klechkovski.

La première ligne correspond à la première couche électronique 1s et contient donc deux éléments 1s¹ et 1s².

La deuxième ligne correspond à la deuxième couche et contient donc 8 éléments ( 2 s¹ à 2 p⁶ ).

La troisième couche contient au maximum 2*3² = 18 électrons avec trois sous-couches 3s, 3p et 3d. Les éléments de configurations 3s et 3p font bien partie de la troisième ligne, en revanche, puisque le niveau 3d se remplit après le niveau 4s, les éléments de configuration 3d seront placés dans la quatrième ligne. La ligne 3 contient donc 8 éléments (3s et 3p).

La quatrième couche contient au maximum 2*4² = 32 électrons avec quatre sous-couches 4s, 4p,4d et 4f. Les éléments de configurations 4s et 4p font bien partie de la quatrième ligne, en revanche, puisque le niveau 4d se remplit après le niveau 5s, les éléments de configuration 4d seront placés dans la cinquième ligne. De même, le niveau 4f se remplissant après le niveau 6s, les éléments correspondants seront placés dans la ligne 6.

La ligne 4 contient donc 18 éléments (4s, 3d et 4p).

La cinquième couche contient au maximum 2*5² = 50 électrons avec cinq sous-couches 5s, 5p, 5d, 5f et 5g. Les éléments de configurations 5s et 5p font bien partie de la cinquième ligne, en revanche, puisque le niveau 5d se remplit après le niveau 6s, les éléments de configuration 5d seront placés dans la sixième ligne. De même, le niveau 5f se remplissant après le niveau 7s, les éléments correspondants seront placés dans la ligne 7. Enfin, la sous-couche 5g serait placée dans la ligne 8 mais dans la pratique les éléments actuellement connus n'utilisent pas des niveaux aussi élevés.

La ligne 5 contient donc 18 éléments (5s, 4d et 5p).

La construction de la classification obéit donc à des règles logiques et reproduit l'ordre de remplissage des niveaux donné par la règle de Klechkovski.

Ce n'est qu'a la ligne 6 que les éléments de type f commenceront a apparaître avec la sous-couche 4f, la ligne 6 contiendra donc 50 éléments 6s, 5d, 6p et 4f…

Remarque : Les éléments de type f devrait selon Klechkowski apparaître entre les niveaux de type s et ceux de type d, la majorité de ces éléments n'obéissent toutefois pas a la règle de Klechkowski, le premier électron d apparaissant avant les électrons de type f, pour cette raison les éléments f ont été décalé d'une case (voir classification).

Eléments de transition : Selon l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (I.U.C.P.A) un élément est dit élément de transition si l'élément lui même ou un de ses états d'oxydation stables possède une sous couche électronique de type d ou f incomplète. L'utilisation d'une telle définition est toutefois peu pratique car elle sous-entend que les états d'oxydations stables de chaque élément serai connu de l'utilisateur de la définition ce qui n'est pas votre cas à l'heure actuelle. Nous nous contenteront donc d'une définition plus facilement utilisable en disant que les éléments des blocs d et f sont des éléments de transition. Pour la très grande majorité des cas, les deux définitions conduisent au même résultat, il existe toutefois des cas particuliers tel le zinc Zn qui bien qu'appartenant au bloc d n'est pas un élément de transition selon l'I.U.C.P.A car le seul état oxydé stable de Zn est le Zn(II) pour lequel la couche 3d est complète.

Avec notre définition simple on aura :

Lignes 1,2 et 3 : pas d'éléments de transition.

Lignes 4 et 5 : 10 éléments de transition de type d.

Lignes 6 et 7 : 24 éléments de transition 10 de type d et 14 de type f.

Exercice 4:

Un élément a moins de 18 électrons et possède 2 électrons célibataires. Quelles sont les configurations électroniques possibles pour cet élément ? Quel est cet élément sachant qu'il appartient à la période du lithium(3) et au groupe de l'étain(50).

L’élément en question appartient à l’une des trois premières lignes de la classification.

La représentation sous forme de cases quantiques montre que seules les configurations p² et p⁴ possèdent "exactement" deux électrons célibataires. On peut aussi considérer que la configuration s²p³ peut convenir puisqu'elle compte 3 électrons célibataires. L’élément en question ne peut donc être que : C, Si, O , S , N ou P.

On sait qu’il appartient a la période du lithium, donc Si , S et P sont éliminés.

Cherchons la configuration de l'étain ( Z = 50)

50 = 36 + 14 è (Kr) 4d¹⁰ 5s² 5p²

L’élément cherche appartenant au même groupe que l’étain est donc le Carbone C.

Exercice 5 :

Un élément appartient à la quatrième période et possède deux et seulement deux électrons " célibataires " (seuls dans une case quantique).

a) Combien de possibilités y a-t-il ? Préciser pour chacune le N° de la colonne et celui de la ligne.

b) On sait de plus que cet élément n’est pas un élément de transition. Combien reste-t-il de possibilités ? Préciser pour chacune le N° de la colonne et celui de la ligne.

c) On sait de plus que cet élément appartient a la famille des chalcogènes. Combien reste-t-il de possibilités ? Préciser pour chacune le N° de la colonne et celui de la ligne.

On sait que la période concernée est la période 4 soit également la ligne 4.

Possibilités de configurations a deux électrons célibataires :

p² = colonne 14

p⁴ = colonne 16

d² = colonne 4

d⁸ = colonne 10

Si on élimine les éléments de transition (d² et d⁸) il ne reste que deux possibilités p² colonne 14 et p⁴ colonne 16.Les chalcogènes sont les élément de la colonne 16 (famille de l'Oxygène). L'élément recherché est donc le Sélénium : Se (Z = 34) (ligne 4 - colonne 14).

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