Fiche de révision : Structure électronique de la matière

📋 Plan du Cours

1. Évolution des modèles atomiques
2. Probabilité de présence électronique
3. Nombres quantiques et orbitales
4. Formes et propriétés des orbitales
5. Remplissage et configuration électronique
6. Vérification expérimentale de la structure

📖 1. Évolution des modèles atomiques

★ À maîtriser

• En 1904, Thomson propose le modèle du pudding, puis Rutherford établit en 1911 l’existence d’un noyau positif contenant l’essentiel de la masse de l’atome.

• En 1913, Bohr propose des orbitales circulaires fixes pour les électrons, tandis qu’en 1926 Schrödinger fonde un nouveau modèle de mécanique quantique sur les propriétés corpusculaires et ondulatoires de la matière.

Compléments

• En 1803, Dalton décrit l’atome comme indivisible.

💡 Astuce mémo

Dalton → Thomson → Rutherford → Bohr → Schrödinger

📖 2. Probabilité de présence électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle atomique quantique : E. Schrödinger, 1926 - décrit l’électron par une probabilité de présence autour du noyau plutôt que par une trajectoire déterminée

★ À maîtriser

• Dans le modèle quantique, l’électron possède un niveau d’énergie n et une probabilité de présence dans un volume donné autour du noyau.

Compléments

• Les isosurfaces délimitent une région où la probabilité de présence de l’électron est supérieure à un seuil généralement fixé à 90 %, et ces régions peuvent être non connexes et de forme complexe.

💡 Astuce mémo

Une nuée électronique autour du noyau, délimitée par une surface à 90 % de probabilité

📖 3. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : qui prend les valeurs 1, 2, 3, 4, …, détermine le niveau d’énergie et indique que l’électron est généralement plus éloigné du noyau lorsque n augmente
• Nombre quantique secondaire : prend les valeurs de 0 à n−1 et détermine la forme de l’orbitale
• Nombre quantique magnétique : prend les valeurs de −ℓ à +ℓ et décrit l’orientation de l’orbitale par rapport à un champ magnétique

📝 Points essentiels

• Les orbitales sont désignées par un nombre correspondant à n et une lettre correspondant à ℓ : s pour 0, p pour 1, d pour 2 et f pour 3.

💡 Astuce mémo

n-l-m : niveau, forme, orientation

📖 4. Formes et propriétés des orbitales

★ À maîtriser

• Les orbitales s sont sphériques, tandis que les orbitales p sont orientées selon les trois axes et possèdent deux lobes séparés par un plan nodal.

Compléments

• Le nombre d’orbitales est :

  • 1 pour s
  • 3 pour p
  • 5 pour d
  • 7 pour f

• Les orbitales s deviennent plus grandes lorsque n augmente et comportent des zones de probabilité nulle appelées nœuds.

💡 Astuce mémo

s sphérique, p à deux lobes, d et f de formes plus complexes

📖 5. Remplissage et configuration électronique

★ À maîtriser

• Le principe de construction aufbau impose que les électrons remplissent successivement les orbitales de niveaux énergétiques croissants, en commençant par les plus bas.

• La règle de Hund impose de placer d’abord un maximum d’électrons de même spin dans des orbitales différentes d’une même sous-couche avant de les apparier.

• Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques, et une orbitale ne peut donc contenir que deux électrons de spins opposés.

• 🔄 L’ordre de remplissage est (E. Madelung, 1936) :

  1. 1s
  2. 2s
  3. 2p
  4. 3s
  5. 3p
  6. 4s
  7. 3d
  8. 4p
  9. 5s
  10. 4d

• La configuration électronique du carbone de numéro atomique 6 peut s’écrire 1s²2s²2p² ou [He]2s²2p².

Compléments

• La règle de Klechkowski est une méthode empirique attribuée à E. Madelung en 1936 et démontrée théoriquement par V. Klechkowski en 1962, mais elle possède de nombreux contre-exemples.

💡 Astuce mémo

Aufbau : remplir les niveaux bas ; Hund : célibataires d’abord ; Pauli : deux spins opposés maximum

📖 6. Vérification expérimentale de la structure

🔑 Notions clés & Définitions

• Spin de l’électron : le quatrième nombre quantique de l’électron, associé à sa rotation sur lui-même, et il ne peut prendre que les valeurs −1/2 et +1/2

★ À maîtriser

• La spectroscopie photoélectronique ionise un échantillon avec des photons très énergétiques, puis détecte le nombre et l’énergie cinétique des électrons éjectés afin de déterminer la structure électronique.

Compléments

• En 1922, l’expérience de Stern et Gerlach a montré que des atomes d’argent traversant un champ magnétique inhomogène produisent deux taches symétriques sur un écran. - Otto Stern et Walter Gerlach

💡 Astuce mémo

Photons énergétiques → électrons éjectés → énergie cinétique mesurée

📊 Tableaux de synthèse

Correspondance des nombres quantiques