CHIMIE

© Hachette Livre – H Prépa / Optique, 1 re année, MPSI-PCSI-PTSI –La photocopie non autorisée est un délit
COURS
8
1
Classification périodique des éléments
(*) Nous étudierons au chapitre 9 ces
orbitales atomiques, souvent notées O.A.,
parfois représentées par des cases quantiques.
E
niveau d'énergie
orbitalaire
Doc. 4 L’électron est représenté par
une flèche orientée :
– vers le haut pour m s = + 1/2 ;
– vers le bas pour m s = – 1/2.
L’énergie cinétique acquise par un électron,
de charge – e = – 1,60 .10 –19 C,
accéléré par une différence de potentiel
de 1,00 V, est égale à 1,00 électronvolt
(1,00 eV) avec :
1,00 eV = 1,60.10 –19 J
nombre
quantique principal
n =
n = 5
n = 4
n = 3
E(eV)
0
5s 5p 5d 5f 5g
– 0,54
4s 4p 4d 4f
– 0,85
3s 3p 3d
– 1,5
n = 2
2s 2p
–3,4
n = 1
1s
– 13,6
= 0 = 1 =2 =3 =4
Doc. 5 Diagramme énergétique
pour un atome d’hydrogène.
E
E n
E n
désexcitation et
émission d'un
photon de longueur
d’onde
Doc. 6 Désexcitation de l’atome
d’hydrogène. L’énergie se conserve
au cours du processus : E n = E n’ + e.
Cependant, si on considère le niveau 2p défini par n =2et = 1, on peut envisager
trois valeurs différentes pour m = – 1, 0, 1. Les trois triplets (n, , m) correspondants,
soit (2, 1, 1), (2, 1, 0) et ( 2, 1, – 1), caractérisent trois orbitales atomiques (*)
d’égale énergie.
Lorsqu’à un même niveau d’énergie correspondent plusieurs orbitales
atomiques, ce niveau d’énergie est dit dégénéré.
Ainsi, le niveau 2p est trois fois dégénéré.
L’état d’un électron dans un atome est donc décrit par une orbitale, associée à un
niveau d’énergie orbitalaire, et par un état de spin, correspondant à l’une des deux
valeurs possibles du nombre quantique magnétique de spin. On peut dire alors que
l’électron «occupe » le niveau d’énergie orbitalaire ; on le représente schématiquement
(doc. 4).
Pour s’entraîner : ex. 1 et 2
2.3 Diagramme énergétique
Le diagramme énergétique est constitué par la représentation des différents niveaux
d’énergie des électrons dans l’atome classés par ordre croissant d’énergie.
L’état de plus basse énergie de l’atome est son état fondamental ; c’est l’état
le plus stable. Les états d’énergie supérieure sont dits excités.
La représentation énergétique de l’atome consiste à figurer les niveaux d’énergie
orbitalaire et les électrons qui les occupent.
2.3.1. Cas de l’atome d’hydrogène
Dans le cas particulier de l’atome d’hydrogène, constitué d’un noyau et d’un
électron unique, les différents niveaux d’énergie électronique de l’atome ne
dépendent que du nombre quantique principal n.
Le niveau de référence, égal à 0, correspond à l’atome d’hydrogène ionisé : proton
et électron immobiles, mais séparés par une distance infinie. Les niveaux d’énergie
possibles pour l’électron de l’atome d’hydrogène valent alors :
En =–
E avec E =13,6 eV
n2 Le document 5 présente le diagramme énergétique de l’atome d’hydrogène. À la
valeur n du nombre quantique principal correspondent n valeurs du nombre quantique
secondaire (0, 1,…, n – 1) et à chaque valeur de correspondent 2 +1
valeurs du nombre quantique magnétique m (– , … ,0,… ,+ ). En conséquence,
au niveau d’énergie E n, caractérisé par le nombre quantique principal n, correspondent
n 2 orbitales atomiques de triplets (n, , m) :un niveau d’énergie E n est
n 2 fois dégénéré.
Lorsque l’énergie électronique de l’atome vaut E n avec n >1, l’électron occupe le
niveau d’énergie E n : il peut effectuer une transition vers un niveau d’énergie E n’
avec n’ < n. Lors de cette transition, l’énergie de l’atome diminue : on dit alors
qu’il se désexcite (doc. 6).
La désexcitation de l’atome du niveau E n vers le niveau E n’ s’accompagne
de l’émission d’un photon d’énergie :
e = E n – E n’