td am1 : configurations electroniques des atomes - PCSI

Architecture de la matière
TD AM1 : CONFIGURATIONS ELECTRONIQUES DES
ATOMES
But du chapitre
Apprendre à écrire la configuration électronique d’un atome ou d’un ion.
Plan prévisionnel du chapitre
AM1 : CONFIGURATIONS ELECTRONIQUES DES ATOMES
I. Des modèles pour l’atome
A. Historique
B. Un premier modèle pour l’atome
C. Le modèle de Bohr
D. Le modèle quantique
II. COMMENT ELABORER LES CONFIGURATIONS ELECTRONIQUES DES
ATOMES?
A. Les nombres quantiques
B. Qu’est ce que la configuration électronique d’un atome ?
C. Principes d’élaboration
D. Cas des ions
E. Electrons de valence et de cœur
F. Ecarts par rapport aux règles
Savoirs et savoir-faire
Ce qu’il faut savoir :
 Définir les termes suivants : nombre de masse, numéro atomique, les 4 nombres
quantiques, couche, sous-couche, orbitale atomique, électrons de cœur, électrons de
valence, diamagnétique/paramagnétique.
 Donner le sens physique associé aux différents nombres quantiques
 Donner le nombre maximal d’électrons par type de sous-couche (2 pour s, 6 pour p,
etc…)
 Donner l’ordre de remplissage des sous-couches (tableau de la règle de Klechkowsky)
 Enoncer les règles de quantification des nombres quantiques
 Enoncer les 3 règles permettant d’établir la configuration électronique d’un atome
Ce qu’il faut savoir faire :
 Déterminer la composition d’un atome
 Etablir la configuration électronique d’un atome dans son état fondamental
 Déterminer les électrons de coeur et les électrons de valence
 Déduire la configuration électronique d’un ion.
Erreurs à éviter/ conseils :
 Attention à ne pas oublier de lignes (n varie de 1 à 7 !) dans le tableau de
Klechkowski.
 Vérifiez la configuration que vous proposez en recomptant le nombre total d’électrons.
Il est fréquent d’en oublier en route.
Savez-vous votre cours ?
Lorsque vous avez étudié votre cours, vous devez pouvoir répondre rapidement aux questions
suivantes :
 Quelle est la signification physique des nombres quantiques n, l et ml ? Indiquer les
règles de quantification les concernant.

Architecture de la matière
 Énoncer les trois règles utilisées pour établir la configuration électronique d'un atome
polyélectronique. Application au cas de l'azote 7N, du calcium 20Ca et du titane 22Ti.
Dans le cas de l'azote donner le diagramme énergétique précisant la position relative
des différents niveaux. Qu'appelle-t-on électrons de cœur ? Électrons de valence ?
 Comment établit-on la configuration électronique d'un ion monoatomique ?
Application dans le cas de Fe2+ et Cl- (Z(Fe) = 26 . Z(Cl) = 17). Quels sont les ions
facilement obtenus à partir du fluor 9F, du sodium 11Na, du magnésium 12Mg.
Applications du cours
Application 1 : Cas où n = 4
Préciser les divers triplets n, l, ml susceptibles de décrire le comportement de l’électron si n = 4.
Application 2 : Nombres quantiques
Répondre aux questions suivantes en justifiant brièvement.
1. Combien de sous-couches contient la couche n = 3 ?
2. Combien d'orbitales atomiques contient une sous-couche f ?
3. Combien d'orbitales atomiques dégénérées contient la couche n = 2 ?
4. Combien d'électrons au maximum peut contenir une sous-couche 3p ?
5. Combien d'électrons au maximum peut contenir la couche n = 2 ?
6. Quels sont les quadruplets de nombres quantiques possibles pour un électron qui occupe la sous-
couche 3p ?
7. Combien d'électrons sont caractérisés par les couples (n,ml) suivants : (2,0) ; (3,-l) ?
Application 3 : Configurations électroniques (1)
1°) Écrire la configuration électronique des atomes et ions suivants dans l'état fondamental :
Li, F, Si, Si4+, A13+, Rb+, Cl-, Ca2+, Al, Co, Ga.
2°) Que dire des espèces F-, Al3+ et Si4+ ? Cl- et Ca2+ ? Comment qualifie-t-on ces espèces ?
Données :
Élément
Li
F
Al
Si
Cl
Ça
Co
Ga
Rb
Z
3
9
13
14
17
20
27
31
37
Application 4 : Configurations électroniques (2)
On reprend les entités chimiques vues dans l’application 3.
1°) Indiquer quelles espèces possèdent la même configuration électronique de cœur.
2°) Indiquer quelles espèces possèdent la même configuration électronique de valence.
Application 5 : Cations des éléments de transition
Les éléments de transition jouent un rôle important dans la composition des roches lunaires,
dans lesquelles on rencontre notamment les ions Fe2+, Fe3+, Ti3+, Ti4+.
1. Définir un élément de transition.
2. Écrire la configuration électronique des ions considérés.
3. Lequel des ions Fe2+ et Fe3+ possède la configuration électronique la plus stable dans son état
fondamental ?
4. Même question pour les ions Ti3+ et Ti4+.
Données : ZTi = 22 ; ZFe = 26.
Application 6 : Structure électronique du chrome
L'isotope naturel le plus répandu du chrome a un noyau constitué de 24 protons et 28 neutrons.
1. Donner le symbole chimique du noyau.
2. Indiquer, d'après les règles de Klechkowski et de Hund et le principe d'exclusion de Pauli, la
configuration électronique du chrome à l'état atomique fondamental.

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3. Le chrome fait exception à cette règle de remplissage des orbitales atomiques. Donner la
configuration électronique réelle.
4. Donner les configurations électroniques des ions Cr2+et Cr3+.
Application 7 : Structure électronique du cuivre
Le cuivre est l'élément de numéro atomique Z = 29 .
1. Donner la configuration électronique attendue, d'après les règles de Klechkowski et de Hund
et le principe d'exclusion de Pauli, de l'atome de cuivre dans son état fondamental.
2. En fait, cet atome constitue une exception à la règle de Klechkowski : le niveau 4s n'est
peuplé que d'un électron. Proposer une explication.
3. Prévoir la configuration électronique des ions Cu+ et Cu2+ dans leur état fondamental.
Application 8 : Structure électronique du l’argent
L’argent est l'élément de numéro atomique Z = 47 .
4. Donner la configuration électronique attendue, d'après les règles de Klechkowski et de Hund
et le principe d'exclusion de Pauli, de l'atome d’argent dans son état fondamental.
5. En fait, cet atome constitue une exception à la règle de Klechkowski : le niveau 5s n'est
peuplé que d'un électron. Proposer une explication.
6. Quel ion stable peut-on formé à partir d’un atome d’argent ?
Exercices
Exercice 1 : Série de raies
Dans le spectre d'émission de l'atome d'hydrogène, la série de Pfund, découverte en 1924, est
associée aux transitions d'un niveau d'énergie n > 5 vers le niveau d'énergie n = 5.
1. Calculer la longueur d'onde λ7→5 associée à la transition du niveau n = 7 vers le niveau
n = 5.
2. Dans la série de Pfund, à quelle transition correspond la raie de longueur d'onde maximale ?
Déterminer sa valeur.
3. Dans la série de Pfund, à quelle transition correspond la raie de longueur d'onde minimale ?
Déterminer sa valeur.
4. Une raie de la série de Pfund est associée à la longueur d'onde λ = 2872,2 nm. À quelle
transition correspond-elle ?
Exercice 2 : Le vanadium et ses ions
1. Écrire la configuration électronique du vanadium (Z = 23) dans l'état fondamental.
Combien d'électrons de valence possède le vanadium ?
2. Quel est l'ion le plus stable que l'on peut envisager à partir du vanadium ? Justifier.
3. Cet ion est-il diamagnétique ou paramagnétique ?