Structure électronique des atomes

23
2ème partie
Structure électronique des atomes
1 - L'atome d'hydrogène
 Le spectre d'émission de l'atome d'hydrogène
• Considérations énergétiques
• Interprétation du spectre
 La quantification de l'énergie et ses conséquences
• Les niveaux électroniques d'énergie
• Les processus d'absorption et d'émission
 Extension aux ions hydrogénoïdes
 Le modèle atomique de Bohr et ses limites
2 - Les atomes multi-électroniques
 Concepts de la physique quantique
 Les nombres quantiques
 Règles de remplissage des niveaux d'énergie
• Diagrammes d'énergie et configurations électroniques
• Niveaux de valence et niveaux de cœur
• Cas des éléments de transition
 Notion de charge nucléaire effective
3 - Classification périodique et évolution des propriétés
• Structure de la classification
• Energie d'ionisation, affinité électronique, électronégativité,
• Notation de Lewis, charge effective de valence, rayons
atomique et ionique,...
4 - Les orbitales atomiques
• Probabilités de présence des électrons
• Parties radiales et angulaires
• Orbitales s et orbitales p.

24
2.1 - L'ATOME D'HYDROGENE
Le spectre d'émission de l'atome d'hydrogène
Une décharge électrique dans un tube contenant de l'hydrogène
atomique sous faible pression, provoque une émission de lumière
dont le spectre visible est constitué de quelques raies intenses.
 J.J. Balmer (1885), puis J.R. Rydberg (1890) trouvent une
relation empirique entre les nombres d'onde :
−=
λ2
1
2
1
2
11
n
R R = constante (voisine de 109700 cm-1)
n1 entier positif >2
 L. Paschen (1908) découvre une série de raies dans
l'infrarouge, qu'il peut écrire :
−=
λ2
1
2
1
3
11
n
R n1 entier positif >3
 Th. Lyman (entre 1906 et 1916) découvre une série de raies
dans l'ultraviolet dont les longueurs d'onde vérifient :
−=
λ2
1
2
1
1
11
n
R n1 entier positif >1
λ (nm) 656,3 486,1 434,0 410,2
bleu indigo violet rouge

25
Les résultats se regroupent en une seule relation :
−=
λ2
1
2
2
111
nn
R R = 109700 cm-1
n1 et n2 entiers positifs, avec n1 > n2
 Termes contribuant à l'énergie des électrons d'un atome
énergie cinétique énergie potentielle d'interaction
de chaque électron
entre le noyau
et chaque électron
Forces attractives
Energie <
<<
< 0
entre chaque électron
et l'ensemble de tous
les autres
Forces répulsives
Energie >
>>
> 0
Le résultat est une énergie totale négative traduisant le fait que
l'atome est un système de particules liées entre elles.
L'énergie de toute particule liée est négative.
Chaque électron
se trouve dans un "puits de potentiel" centré sur le noyau.
nombre d'onde en cm
-
1
U.V.
n
2
= 1
I.R. 15241
20576
27434
7804
5334
12193 82303 97544 109737
Visible
n
2
= 2

26
 Interprétation du spectre d'émission
Le champ électromagnétique interagit avec l'atome qui absorbe ou
émet des rayonnements infra-rouge, visible, ultra-violet, (ou rayons
X).
Les processus d'émission ou d'absorption traduisent des échanges
d'énergie, sous la forme de photons, entre le rayonnement et la
matière.
Une radiation émise (absorbée) correspond à une perte (un gain)
d'énergie de l'atome, égal(e) à la différence entre ses énergies
finale et initiale toutes deux négatives.
Dans le cas de l'hydrogène, le bilan énergétique pour l'émission
d'un photon s'écrit :
−− −= −−=
λ
−=− 2
1
2
2
2
1
2
2
11
if n
hcR
n
hcR
nn
hcR
hc
EE
Il en résulte que l'énergie, initiale ou finale, peut s'identifier à :
2
n
hcR
E−=
Energie
0 distance radiale r
noyau

27
Les valeurs possibles de l'énergie correspondent aux différentes
valeurs de n = 1, 2, 3,...
L'énergie est quantifiée : seules certaines valeurs particulières
sont permises. L'entier n est un nombre quantique.
Cette quantification de l'énergie est très générale et concerne tous
les systèmes de particules liées.
Chaque élément est caractérisé par un ensemble de raies
spectrales qui lui sont propres, donc par des énergies
électroniques qui lui sont propres.
Conséquences de la quantification de l'énergie
 Les niveaux électroniques d'énergie
Electron lié
Energie négative
Energie quantifiée
Electron libre
Energie positive
Continuum d'énergie
Energie
des niveaux
0