td chapitre 1 : configuration electronique d`un atome dans

Chimie&Chapitre&1&–&Configuration&électronique& & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Lefèvre&2014<2015&
&
1&
TD&CHAPITRE&1&:&CONFIGURATION&ELECTRONIQUE&D’UN&ATOME&DANS&SON&ETAT&FONDAMENTAL&
&
Ce#qu’il#faut#savoir#:##
Connaître&l’ordre&de&grandeur&de&la&taille&d’un&atome,&des&masses&et&des&charges&de&l’électron&et&du&noyau&
Connaître&les&4&&nombres&quantiques&(principal,&secondaire,&magnétique,&de&spin)&
Les&différentes&règles&:&Principe&d’exclusion&de&Pauli,&règle&de&Klechkowsky,&règle&de&Hund&&
&
#
Ce#qu’il#faut#savoir#faire#:##
Etablir&la&configuration&électronique&à&l’état&fondamental&d’un&atome&ou&d’un&ion&connaissant&son&numéro&atomique&
Repérer&les&électrons&de&cœur&et&de&valence&d’un&atome&ou&d’un&ion&
Déterminer&le&nombre&d’électrons&non&appariés&(célibataires)&d’un&atome&à&l’état&fondamental&
Etablir& un& diagramme& qualitatif& des& niveaux& d’énergie& électroniques& pour& un& atome& donné& (OA& d’un& même& sous<couche&
dégénérées,&ou&d’une&même&couche&pour&l’atome&d’hydrogène)&
Déterminer&la&longueur&d’onde&d’une&radiation&émise&ou&absorbée&à&partir&de&la&valeur&de&la&transition&énergétique&mise&en&jeu&
(et&inversement)&(notion&de&désexcitation&(d’excitation),&de&spectre&d’émission&(d’absorption))&
&
!"#$%&'()*$+,)($-%
#
Exercice#1#:#Autour#du#selenium#
.#%/$(0%1%&(2()(%34%2+%5#)(4%6"#$%,)7,8#($%2'9*$",*%$+66$"0:(;()*%+<(0%2'929;()*%*(22#$(%790"#<($*%+#6+$+<+)*%=7#%2+*,)%*(22#&4%2+%
>($$(?4% 2(% &929),#;% =)"*9% @(?% +% 9*9% 790"#<($*% ()% @#A7(% 6+$% B($C(2,#&% ()% DEDFG% H")*$+,$(;()*% I%2+% 62#6+$*% 7(&% 0")7#0*(#$&%
92(0*$,8#(&4%2+%0")7#0*,<,*9%7#%&929),#;%796()7%7(%2',)0,7()0(%7(%2+%2#;,A$(G%H(**(%1%6:"*"0")7#0*,<,*9%3%()%J+,*%#)%929;()*%,79+2%
6"#$%2(&%0(22#2(&%6:"*"92(0*$,8#(&4%2(&%6:"*"6,2(&%&"2+,$(&%(*%2(&%0+;9$+&%7(%>KG%%
&
Le&sélénium&Se&a&un&numéro&atomique&Z=34.&A&l’état&naturel&le&sélénium&est&sous&forme&d’un&mélange&de&plusieurs&isotopes&
(voir&tableau&de&la&question&2).&
1)&Donner&la&composition&du&noyau& Se
!"
!" .&&
2)& Le& sélénium& est& en& fait& composé& de& plusieurs& isotopes,& présentés& dans&le& tableau& ci<dessous& avec& leurs& pourcentages&
isotopiques&respectifs.&
Isotope& Se
!"
!&
Se
!"
!" &
Se
!"
!" &
Se
!"
!! &
Se
!"
!" &
Se
!"
!" &
Se
!"
!" &
Pourcentage&isotopique&x!&
0,89&%&
9,37&%&
7,63&%&
23,77&%&
49,61&%&
8,73&%&
Masse&molaire&(g.mol!!)&
73,9225&
75,9192&
76,9199&
77,9173&
79,9165&
81,9167&
Calculer&la&masse&molaire&du&mélange&naturel&de&sélénium.&Le&résultat&sera&fourni&avec&&quatre&chiffres&significatifs.&
&
Exercice#2&:&Choix#multiples#
1)&Parmi&les&ensembles&suivants&(n,l,ml,ms),&lesquels&peuvent&décrire&un&électron&dans&un&atome&?&Donner&alors&le&symbole&(ns,&
np…)&de&l’OA&dans&laquelle&se&trouve&cet&électron.&&
&a)&(2,2,1,+1/2)&&&&&&&b)&(2,1,<1,+1/2)&&&&&&c)&(3,2,1,<1/2)&&&&&&d)&(4,0,<1,+1/2)&&&&&e)&(3,1,0,<1/2)&
2)&Indiquer&si&les&symboles&suivants&peuvent&caractériser&ou&non&une&orbitale&atomique&:&&
&a)&1p&b)&3f&c)&5g&d)&4s&e)&2d&
3)&Dénombrer&les&OA&de&type&ng.&Préciser&la&valeur&minimale&de&n&pour&laquelle&elles&apparaissent&et&le&nombre&d’électrons&que&
la&sous<couche&peut&contenir.&
4)&Parmi&les&valeurs&suivantes,&indiquer&la(les)&série(s)&des&quatre&nombres&quantiques&définissant&un&électron&d’une&OA&5d&
a.&n&=&5&&&ℓ&=&2&&&&&&mℓ&=&<&1&&&&ms&=&½.&&&&&&&&&&&&&&&&b.&n&=&5&&&&&&&&ℓ&=&2&& mℓ&=&<&5&&&&&&ms&=&<½.& c.&n&=&5&&&&&&&ℓ&=&4&& mℓ&=&&&0&&&&&ms&=&<½.&
d.&n&=&5&&&ℓ&=&2&&&&&&mℓ&=&&&0&& ms&=&½.&& & e.&n&=&5&&&&&&&ℓ&=&2&& mℓ&=&&&2&&&&&&ms&=&½.&&
5)#Quelle(s)&est&(sont)&la&(les)&réponse(s)&correcte(s)&?&
a.&Dans&une&sous<couche&d,&il&y&a&en&tout&trois&orbitales&atomiques.&
b.&Une&sous<couche&f&contient&au&maximum&neuf&électrons.&
c.&Un&électron&peut&être&caractérisé&par&quatre&nombres&quantiques&identiques.&
d.&La&troisième&couche&peut&contenir&au&maximum&18&électrons.&
6)&Quelle(s)&est&(sont)&la&(les)&réponse(s)&correcte(s)&?&
a.&La&configuration&électronique&de&l’atome&d’azote,&7N,&présente&trois&électrons&non<appariés.&
b.&L’ion&oxyde&8O2<&possède&la&même&configuration&électronique&que&l’ion&fluorure&9F<.&
c.&La&configuration&électronique&de&l’ion&12Mg2+&est&1s22s22p63s2.&
d.&La&configuration&électronique&de&l’ion&22Ti4+&présente&deux&électrons&célibataires.&
Les&mots&soulignés&sont&les&mots<clés,&à&utiliser&à&l’oral&comme&à&l’écrit.&

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2&
Exercice#3&:&Configurations#électroniques&
Ecrire&les&configurations&électroniques&des&états&fondamentaux&pour&:&
1)&Les&atomes&suivants&:&5B& 9F& 11Na&14Si&22Ti&29Cu&(attention&exception)&
Préciser& les& électrons& & de& cœur& et& de& valence,& le& remplissage& des& OA& pour& les& électrons& de& valence& et& le& caractère&
paramagnétique&ou&diamagnétique&de&l’atome.&
2)&Les&ions&suivants&:&Cu+&&&&&&&Cu2+&&&&&&&&Mn2+&&&&&&&&&&&&
."))9(&%L%M=N)?%O%PQ%%
#
Exercice#4&:&Configurations#électroniques#de#l’atome#de#nickel&
5(% ),0R(2% (&*% #)% ;9*+2% S2+)0G%T$U0(% I% &+% $9&,&*+)0(% I% 2'"VW7+*,")% (*% I% 2+% 0"$$"&,")4% ,2% (&*% #*,2,&9% 7+)&% 2(&% 6,A0(&% 7(% ;"))+,(%
=0"#$"))(% 7(% 2+% 6,A0(% 7(% PX% "#% 0()*$(% 7(% 2+% 6,A0(% 7(% DX?% (*% 7+)&% 0($*+,)&% +22,+/(&G% 5(% ),0R(2% (&*% 2(% 62#&% +22($/,&+)*%7(% *"#&% 2(&%
;9*+#VG%!2#&%7(%DP%Y%7(%2+%6"6#2+*,")%W%(&*%+22($/,8#(G%5+%$9+0*,")%2+%62#&%J$98#()*(%(&*%2+%7($;+*,*(%7(%0")*+0*%6$"<"8#9(&%6+$%
#)%S$+0(2(*%7(%;")*$(4%7(&%S,Z"#V%J+)*+,&,(4%7(&%+00(&&",$(&%<(&*,;()*+,$(&-%
On&propose&différentes&configurations&électroniques&pour&l’atome&de&Nickel&(Z=28)&:&
a)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p6&3d10&4s0&
b)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p8&3d6&4s2&
c)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p6&3d8&4s2&
d)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p6&3d6&4s2&4p2&
Parmi&ces&configurations&:&&
1) Laquelle&est&impossible&et&pourquoi&?&
2) Quelle&est&celle&qui&représente&l’atome&de&Nickel&à&l’état&fondamental&?&Préciser&le&nombre&d’électrons&célibataires.&
3) Quelle&est&celle&qui&ne&comporte&aucun&électron&célibataire&?&
4) Classer,&par&ordre&d’énergie&croissante,&les&différentes&configurations.&
&
!"#$%+22($%62#&%2",)-%
Exercice#5&:#Spectres#
Partie#1#:#Quantification#de#l’énergie#et#spectre#électromagnétique#
Dans& un& atome,& deux& niveaux& énergétiques& électroniques& sont& typiquement& séparés& d’une& dizaine& d’eV.& En& déduire& à& quelle&
partie& du& spectre& électromagnétique& appartient& un& rayonnement& absorbé& (ou& émis)& par& un& atome& lors& d’un& transition&
électronique.&
Partie#2#:#Spectre#d’émission#de#l’atome#d’hydrogène#
Afin&d’étudier&le&spectre&d’émission&de&l’atome&d’hydrogène,&on&génère&dans&une&ampoule&(à&l’aide&d’une&décharge&électrique)&
des&atomes&d’hydrogène&excités&:&l’électron&de&chacun&des&atomes&ne&se&trouve&plus&au&niveau&de&plus&basse&énergie&(n=1).&Les&
électrons&vont&perdre&peu&à&peu&cette&énergie&afin&de&revenir&vers&d’état&fondamental.&La&lumière&émise&par&l’ampoule&lors&de&
cette&désexcitation&est&décomposée&à&l’aide&d’un&réseau.&On&observe&alors&le&spectre&d’émission&de&l’atome&d’hydrogène.&
& & &
[S*()*,")%=I%/+#0:(?%7#%&6(0*$(%7'9;,&&,")%7(%2'+*";(%7':W7$"/A)(%=I%7$",*(?%
On&rappelle&que&les&niveaux&d’énergie&des&orbitales&atomiques&de&l’atome&d’hydrogène&ne&dépendent&que&du&nombre&quantique&
principal&n&par&la&relation,&exprimée&en&eV&:
En= -13,6
n2
.&
1) Placer&sur& le& spectre&les&limites&du&rayonnement&visible.&Nommer&les&domaines&situés&de&part&et&d’autre&du&domaine&
visible.&
2) Soit&un&atome&d’hydrogène&dont&l’électron&passe&de&la&couche&n=3&à&la&couche&n=2.&
a) Faire& un& schéma& expliquant& le& phénomène& (en& positionnant& les& niveaux& de& départ& et& d’arrivée& sur& un& axe&
énergétique).&
b) Quelle&est&la&longueur&d’onde&de&la&lumière&émise&?&On&vérifiera&sur&le&spectre&la&pertinence&de&la&réponse.&&

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3&
Le& spectre& d’émission& de& l’atome& d’hydrogène& peut& être& décomposé& en& séries.& Chaque& série& est& constituée& par& les& raies&
d’émission& correspondant& aux& différentes& désexcitations& possibles& vers& un& niveau& d’énergie& donné.& Elle& porte& le& nom& du&
scientifique&qui&l’a&étudiée&:&&
! Le&rayonnement&émis&par&désexcitation&d’une&couche&n=i>1&vers&la&couche&n=1&constituent&la&série&de&Lyman&
! Le&rayonnement&émis&par&désexcitation&d’une&couche&n=i>2&vers&la&couche&n=2&constituent&la&série&de&Balmer&
! Le&rayonnement&émis&par&désexcitation&d’une&couche&n=i>3&vers&la&couche&n=3&constituent&la&série&de&Paschen&
3) On&appelle&série&de&Balmer&la&série&de&raies&correspondant&aux&désexcitations&possibles&vers&le&niveau&n=2.&Cette&série&
fut&la&première&des&séries&d’émission&de&l’hydrogène&découverte&en&1885.&Pourquoi&?&&&
4) Quelles&sont&les&raies&de&cette&série&qui&appartiennent&au&domaine&visible&?&Déterminer&leur&longueur&d’onde&dans&le&
vide.&
5) Dans&une&série,&la&raie&d’émission&ayant&la&plus& petite&longueur&d’onde&dans& le& vide&est& appelée& raie& limite.&A& quelle&
désexcitation&correspond<elle&dans&la&série&de&Balmer&?&Déterminer&sa&longueur&d’onde&dans&le&vide.&A&quel&domaine&
des&ondes&électromagnétiques&appartient<elle&?&&
Partie#3#:#L’hélium#
L’ion& hélium& (He+)& présente& un& spectre& d’émission& discontinu& constitué& de& séries& de& raies& correspondant& à& la& transition& entre&
deux&niveaux&d’énergie&E(n=j)&et&E(n=i)&avec&j>i.&Pour&les&ions&de&ce&type&(appelés&hydrogénoïdes&:&constitués&d’un&noyau&et&d’un&seul&
électron)&l’énergie&d’un&électron&de&nombre&quantique&principal&n&est&donnée&par&la&relation&:&&
!!=−
!!"
!!&
1) Sur& un& diagramme& d’énergie,& représenter& les& premiers& niveaux& d’énergie& de& l’ion& hélium&(He+).& Les& énergies& seront&
exprimées&en&fonction&de&EHe.&
2) Sachant&que&la&désexcitation&du&niveau&n=2&au&niveau&n=1&s’accompagne&pour&cet&ion&de&l’émission&d’une&radiation&de&
longueur&d’onde&λ=30,378&nm,&donner&la&valeur&de&EHe&en&J&et&en&eV.&&
3) Comparer&la& valeur& de&EHe&à& celle&correspondant&à& l’atome&d’hydrogène&:& 13,6&eV.& En&déduire&s’il&sera& plus&ou& moins&
difficile&d’arracher&l’électron&de&l’atome&d’hydrogène&ou&de&l’ion&hélium&He+.&
[)%7"))(%L%0O\4]]GD]E%;G&^D%_%:O`4`PGD]^\a%bG&%_%D%(K%O%D4`GD]^DcbG&
#
#
Exercice#6#:#Spectroscopie#de#photoélectron#(exercice#documentaire)&#
La&spectroscopie&de&photoélectron&est&une&méthode&permettant&d’accéder&aux&énergies&des&niveaux&électroniques&d’un&atome&
(ou&d’une&molécule)&en&envoyant&un&rayonnement&sur&un&échantillon.&
On&distingue&deux&types&de&spectroscopie&de&photoélectron&:&&
! XPS& («&X<ray& photoélectron& spectroscopy&»),& qui& utilise& des& photons& d’énergie& 200& à& 2000&eV& pour& examiner& les&
électrons&de&cœur.&
! UPS& («&ultraviolet&photoélectron& spectroscopy&»),& qui& utilise& des& photons& d’énergie& 10& à& 45&eV& pour& examiner& les&
électrons&de&valence.&
Principe&:& Un& photon,& d’énergie& Ephoton=hν,& est& projeté& sur&
l’échantillon.& L’échantillon& absorbe& ce& photon& et& un& électron& est&
expulsé&avec&une&énergie&cinétique&Ec=(1/2)mv2.&&&
La&conservation&de&l’énergie&impose&:&&
Ephoton=Eliaison+Ec&où& Eliaison& est& l’énergie& nécessaire& à& l’électron& pour&
sortir&de&l’orbitale&atomique&dans&laquelle&il&se&trouve.&&
Un& appareil& permet& de& mesurer& l’énergie& cinétique& des& électrons&
expulsés,&et&on&peut&ainsi&déterminer&Eliaison,&c’est&à&dire&l’énergie&des&
orbitales&de&départ&des&électrons&expulsés.&
& &
Energie
0Electron libéré de l'atome
-Eliaison Electron dans une OA (de coeur pour la XPS)
Photon d'énergie h!
Electron éjecté avec une
vitesse énergie cinétique Ec
Eliaison

Chimie&Chapitre&1&–&Configuration&électronique& & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&Lefèvre&2014<2015&
&
4&
Résultats#:##
1. En& réalisant& le& spectre& XPS& de& l’oxygène,& avec& un& rayonnement& incident& d’énergie& Ephtoton=1,5& keV,& on& obtient& des&
électrons&dont&l’énergie&cinétique&en&sortie&vaut&975&eV.&&
2. Voici&le&spectre&XPS&de&l’oxyde&de&magnésium&MgO.&L’ordonnée&correspond&à&l’intensité&des&pics&(que&l’on&ne&cherchera&
pas&à&interpréter)&et&l’abscisse&à&Eliaison.&Seuls&les&pics&marqués&d’une&*&sont&à&prendre&en&compte.&&
&
Question#:#Déterminer#l’énergie#des#OA#de#cœur#de#l’oxygène#et#du#magnésium.#
&
A&RENDRE&
Exercice#7&:#Autour#de#l’étain&
L’étain&Sn&a&pour&numéro&atomique&Z&=&50.&
1) Ecrire&sa&configuration&électronique&dans&l’état&fondamental.&Préciser&ses&électrons&de&valence&et&de&cœur.&&
2) Représenter&le&remplissage&des&OA&de&valence.&Indiquer&si&l’étain&est&diamagnétique&ou&paramagnétique.&
3) Citer&un&élément&chimique&très&répandu&qui&possède&la&même&configuration&électronique&de&valence.&
4) Proposer&une&configuration&électronique&d’un&état&excité&de&l’étain.&
5) Préciser&le(s)&quadruplet(s)&de&nombres&quantiques&qui&peu(ven)t&représenter&un&électron&d’une&orbitale&3p.&
6) L’étain& conduit& aux& ions& stanneux& Sn2+&et& stannique& Sn4+.& Ecrire& chaque& configuration& électronique& et& justifier& leur&
relative&stabilité.&
7) Le& spectre& d’émission& de& l’étain&présente& une& raie& à& 460,7& nm.& Expliquer& le& phénomène& et& calculer& la& différence&
d’énergie&entre&les&deux&OA&mises&en&jeu&en&eV.&
&
."))9(&%L%0O\4]]GD]E%;G&^D%_%:O`4`PGD]^\a%bG&%_%D%(K%O%D4`GD]^DcbG%
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