Chaque électron d'un atome a une « adresse » donnée par quatre nombres quantiques : la couche, la sous-couche, l'orbitale et le spin. Écrire la configuration électronique, c'est ranger les Z électrons dans ces cases, dans le bon ordre. L'Exetat te demande de trouver une configuration, de la reconnaître, ou de dire combien d'électrons tient une couche.
L'essentiel
- Le nombre quantique principal n (1, 2, 3…) désigne la couche : K, L, M, N… Une couche contient au plus 2n² électrons : 2 (K), 8 (L), 18 (M), 32 (N).
- Le nombre quantique secondaire ou azimutal l va de 0 à n − 1 et désigne la sous-couche : l = 0 → s, l = 1 → p, l = 2 → d, l = 3 → f. On écrit n puis la lettre : 3d veut dire n = 3, l = 2.
- Le nombre quantique magnétique m va de −l à +l : il y a donc 2l + 1 orbitales dans une sous-couche (1 pour s, 3 pour p, 5 pour d, 7 pour f).
- Le nombre quantique de spin s vaut +1/2 ou −1/2. Principe de Pauli : deux électrons d'un même atome n'ont jamais les quatre mêmes nombres quantiques, donc une orbitale contient au plus 2 électrons.
- Capacité maximale d'une sous-couche : 2(2l + 1), soit s : 2, p : 6, d : 10, f : 14.
- Ordre de remplissage (règle de Klechkowski) : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p. Attention, 4s se remplit avant 3d.
- On peut abréger avec le gaz rare précédent entre parenthèses : chlore (Z = 17) = (Ne) 3s² 3p⁵, car le néon a déjà 10 électrons.
- La couche externe (couche de valence) est la couche de n le plus grand. Des espèces isoélectroniques ont le même nombre d'électrons, donc la même configuration : Na⁺, Mg²⁺, F⁻, O²⁻ ont 10 électrons comme le néon.
Les formules
- Électrons d'une couche
- 2n²
- n : nombre quantique principal
- Électrons d'une sous-couche
- 2(2l + 1)
- l = 0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f)
- Valeurs permises
- 0 ≤ l ≤ n − 1 ; −l ≤ m ≤ +l ; s = ±1/2
- n = 1, 2, 3… ; m : nombre quantique magnétique ; s : spin
La méthode
- 1Compte les électrons : Z pour un atome ; retire la charge d'un cation, ajoute celle d'un anion.
- 2Remplis les sous-couches dans l'ordre 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p…, en mettant au plus 2 électrons dans s, 6 dans p, 10 dans d.
- 3Vérifie que la somme des exposants est égale au nombre d'électrons.
- 4Pour la couche externe, relève les sous-couches de n le plus grand (par exemple 3s² 3p⁵ pour le chlore).
- 5Pour reconnaître un élément à partir de sa configuration, additionne les exposants : on obtient Z (si l'atome est neutre).
Un exemple résolu
Écris la configuration électronique du chlore (Z = 17) à l'état fondamental, sa forme abrégée et la structure de sa couche externe.
- 1.L'atome est neutre : 17 électrons à placer.
- 2.1s² (2 électrons, total 2), puis 2s² (total 4), puis 2p⁶ (total 10).
- 3.3s² (total 12), puis il reste 17 − 12 = 5 électrons pour 3p : 3p⁵ (total 17).
- 4.Configuration complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.
- 5.Les 10 premiers électrons forment la configuration du néon : forme abrégée (Ne) 3s² 3p⁵.
- 6.La couche externe est la couche n = 3 : 3s² 3p⁵, soit 7 électrons de valence.
Réponse : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ = (Ne) 3s² 3p⁵ ; couche externe 3s² 3p⁵.
Les pièges à éviter
- Confondre le nombre maximal d'électrons d'une couche (2n², donc 32 pour n = 4) avec celui d'une sous-couche.
- Mal associer l et la lettre : l = 2 c'est d (10 électrons), l = 3 c'est f (14 électrons).
- Remplir 3d avant 4s : pour le potassium (Z = 19), le 19ᵉ électron va en 4s, pas en 3d.
- Oublier la charge d'un ion : Na⁺ a 11 − 1 = 10 électrons (comme le néon), alors que K⁺ et Cl⁻ en ont 18 (comme l'argon).
- Mettre 2p⁵ au lieu de 3p⁵ dans une couche externe : la couche externe du chlore est la troisième, pas la deuxième.
À retenir
n donne la couche (2n² électrons), l la sous-couche (s 2, p 6, d 10, f 14) ; on remplit 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d dans cet ordre.