La structure électronique des atomes Ils sont constitués d`un noyau

Lastructureélectroniquedesatomes
Ilssontconstituésd’unnoyauautourduqueltournentdesélectrons.Lenoyauestlui‐même
formépardesprotonsetdesneutrons.
LeursnombressontliésparlarelationA=Z+N.Zestlenombredecharges,protonsou
électrons,NestlenombredeneutronsetAestlenombredenucléons.C’estaussilenombre
demasseenconsidérantquelamassed’unnoyauestsensiblementégaleàlamassed’un
neutronettrèsgranddevantlamassed’l’électron.
MasseenkgChargeenC
électron 9,1.10‐31‐1,6.10‐19
proton1,67.10‐271,6.10‐19
neutron1,67.10270
1. LemodèledeBohr
Onconsidèrel’atomed’hydrogènecommeunpetitsystèmeplanétaire:
L’électronauneénergiecinétiqueEc=
.IlestsoumisàuneforcecentripèteF=
età
forced’attractionélectrostatique,diteloideCoulomb,F=
.Onal’égalitédeces2forces
Fc=Fequel’onpeutécriresouslaforme:
.
L’énergiedel’atomeestdonnéeparlarelationE= 
.
Pourunrayon,rayonàl’étatfondamental,r0=0,053nm,oncalculeE=‐13,6eV.
Enfait,cequiestremarquableetnepeutêtreexpliquéparlaphysiqueclassique,c’estque
l’électrontournesuruneorbitestable.D’où,onaE=‐ 
avecnquiestlenumérodela
couche.
v e
 p
Eionisationn→∝
n=4,E=‐0,85eV
n=3,E=‐1,51eV
n=2,E=‐3,4eV
n=1,E=‐13,6eV

2. LamécaniquequantiqueetlaloidedeBroglie
LaphysiqueondulatoireoumécaniquequantiquefondéepardeBrogliejustifiela
structureetlastabilitédesatomes.Ellepermetdedévelopperunenouvellephysique
contemporaine.
DeBrogliegénéraliselaloidePlanckE=hνàtouteslesparticules.Onpeutassocier
uneondeàuneparticule,tellequeλ=
oùhestlaconstantedePlancketpla
quantitédemouvementdelaparticule.Onnoteraquep=mvenphysiquenon‐
relativiste.
Lesorbitesdesélectronssurunecouchesonttellesque2πr=nλd’oùv=
.
Danscesconditions,
etdoncr=
avecr0= =0,053nm
3. Lespectredesatomes
L’atomeenrecevantdel’énergievapasserdel’étatfondamentalàl’étatexcité.Il
retomberaensuitedansl’étatfondamentalenredonnantexactementl’énergieentre
les2états.
Pourl’atomed’hydrogène,onalespectresuivant:
Enfaisantpasserlalumièreémiseparunélémentàtraversunprismeouunréseau,
ellesedécompose.Lespectred’émissionestunesignaturedesatomes.
E≥
    E= =hν
Eionisationn→∝
n=4,E=‐0,85eV
n=3,E=‐1,51eV
n=2,E=‐3,4eV
n=1,E=‐13,6eV
Pashen
IR
Balmer
Visible
Lyman
UV

4. Lesnombresquantiquesassociésauxélectrons
Chaqueélectronestcaractérisépar4nombresquantiquesn,l,mets.
‐ nestlenombrequantiqueprincipal,ilcaractériselenumérodelacouche
électronique.nestunnombreentiernonnul∈Ν*
‐ lestlenombrequantiquesecondaire,ilestcomprisentre0etn‐1.
‐ mestlenombrequantiquemagnétique,ilestcomprisentre–let+l.
‐ sestlenombrequantiquedespin
2électronsd’unmêmeatomeontaumoinsunnombrequantiquedifférent.
Exemple:n=4
lms
0 0±½
10,±1±½
20,±1,±2±½
30,±1,±2,±3±½
Oncaractériseainsilessous–couchesquantiquess,p,detf.
Nombredecases Nombred’électrons
s12
p 36
d 510
f714
LeremplissagedesZélectronsd’unatomesuitpourl’essentiellarèglede
Klechkowski:
1s
2s2p
3s3p3d
4s4p4d4f
5s5p5d5f
6s6p6d
7s
Exemples:
H11s1
C61s22s22p2
Hybridationsp3
Fe26 1s22s22p6
3s23p64s23d6

5. Conséquences
a. Laclassificationpériodiqueetsesblocs
Lesélémentssontrangésparordredenuméroatomiquecroissantdansune
classificationintroduiteparMendeleïeven1869,bienqu’àl’époquel’existencede
l’électronn’estpasencoreconnue.Ilinversecertainsélémentsclassésparmasse
atomiquecroissanteetplacel’unendessousdel’autredesélémentsdepropriétés
chimiquessemblables.
Leblocscontientlesmétauxalcalinsavec1électronsurlacoucheexterneetles
métauxalcalino‐terreuxaveclesélectronss.
Leblocpcontientlesélémentsnon‐métalliques.C’estlecasducarbone6C,de
l’oxygène8O,del’azote7N
Ladernièrecolonneestcelledesgazrarespourlesquelslastructureélectronique
ns2np6estparticulièrementstable.C’estcequ’onappellelarègledel’octet.
Leblocdcorrespondauxmétauxdetransitionaveclefer26Fe,lecuivre29Cu…
Leblocfestceluideslanthanidesavecenparticulierl’uranium92U.
b. Lesliaisonsdecovalence
Lesatomespeuvents’associerparmiseencommundesélectronsetformentdes
liaisonsdecovalence.
C’estlecasdeH2:les2électrons1s1dechaqueatomeestpartagéparles2
atomesd’oùilsontlastructure1s2.
Defaçonanalogue,lamiseencommundesélectronspermetdeformerlechlore
moléculaireCl2:
Onauralamêmestructureduchlorepourlechlorured’hydrogèneHCl.
blocs
blocp
  blocd
blocf 
limitedesnon‐métaux

Onaural’eauH2O:
l’ammoniac:
etleméthaneCH4:
Chaquepaired’électron,lianteounon‐lianteoccupeuneplacedansl’espace.
Lamoléculedeméthaneestdonclogiquementtétraédrique,chaqueliaisonC‐H
étantéquivalente.
Laprésencedespairesnon‐liantesimpliquequelamoléculed’ammoniacest
pyramidaleetlamoléculed’eauangulaire.Expérimentalement,lespairesnon‐
liantesrepoussentlespairesliantes.Lesanglessontdoncde109°30’pourle
méthane,107°pourl’ammoniac,104°30’pourl’eau.
c. Lesionssimples
L’associationd’unmétaletd’unnon‐métalnepeutpermettrelaformationd’une
liaisondecovalence.Lemétalperdunouplusieursélectrons,ilauncaractère
électropositif.Lenon‐métalluiengagne,ilestélectronégatif.
Ilsacquièrentsouventlastructureélectroniquedugazrareleplusproche.
Lastabilitédelastructureioniqueestassuréeparl’attractionélectrostatiqueentre
deschargesdesignesopposéssuivantlaloideCoulomb.
Onauraainsi:
Lechloruredesodium(Na++Cl‐).Na+alastructuredunéon,Cl‐lastructurede
l’argon.
Defaçonanalogue,onauralechloruredebaryum(Ba2++2Cl‐)etlechlorure
l’aluminium(Al3++3Cl‐).
Apartirdelà,onpeutfacilementcomprendrelaformationd’ionscomposés
commel’ionammoniumNH4
+,l’ionhydroxydeOH‐,l’ionsulfateSO4 2‐…
d. Laliaisonmétallique
Lesmétauxsontentourésd’électronslibresquin’appartiennentpasenpropreà
unatomemaiscirculentdansl’ensembledumatériauetformentunnuage
électronique.Lesionsmétalliquespositifsetcesélectronsassurentlastabilitéet
l’électroneutralitédel’ensemble.