CHIMIE

E
1s
Doc. 13 Configuration électronique
de l’hélium à l’état fondamental.
E
2s
a) b)
Doc. 14 Pour l’atome isolé, ces
deux états sont équivalents ; on donne
le plus souvent la représentation (a).
a) b)
c)
2p
2p
Doc. 15 États (avec m s = + 1/2)
isoénergétiques pour l’atome de bore
isolé.
a) b)
c)
Doc. 16 Différents états correspondants
à la configuration 2p 2 .
E
2p
2s
1s
1s 2 2s 2 2p 3
Doc. 17 Représentation énergétique
de l’atome d’azote à l’état fondamental
; il possède trois électrons
célibataires.
3.4 Répartition des électrons dans les orbitales
atomiques des sous-couches
COURS
3.4.1. Atomes de numéro atomique Z < 6
■ Hélium (Z =2):1s 2
Les deux électrons sont décrits par l’orbitale atomique 1s et, conformément au
principe de Pauli, ont leurs spins appariés (doc. 13).
La sous-couche 1s est alors saturée.
■ Lithium (Z =3):1s 2 2s 1
Les deux électrons de l’orbitale atomique 1s ont leurs spins appariés.
Quel est le spin du troisième électron ?
En l’absence de champ extérieur, les deux valeurs de m s sont équiprobables et les
deux configurations correspondantes ont même énergie (doc. 14).
L’électron non apparié est dit célibataire.
■ Béryllium (Z =4):1s 2 2s 2
Les deux sous-couches 1s et 2s sont saturées ; leurs électrons ont des spins appariés.
■ Bore (Z =5):1s 2 2s 2 2p 1
Les trois orbitales atomiques composant la sous-couche 2p ont la même énergie.
En l’absence d’un champ extérieur, l’électron peut être décrit par n’importe laquelle
de ces trois orbitales atomiques ; les configurations correspondantes ont même
énergie et sont équiprobables (doc. 15). De plus, les deux valeurs de m s sont équiprobables
dans ces conditions.
3.4.2. Cas de l’atome de carbone
Le cas du carbone (Z =6) pose un problème. Les cinq premiers électrons étant dans
le même état que pour l’atome de bore, trois possibilités différentes s’offrent pour
décrire l’état du sixième électron (doc. 16) puisque le niveau 2p est dégénéré.
• Il est décrit par la même orbitale atomique 2p que le cinquième électron ; leurs
spins sont alors nécessairement appariés pour respecter le principe de Pauli
(doc. 16 a) ;
• Il est décrit par une orbitale atomique 2p différente (mais de même énergie) de
celle qui décrit le cinquième électron ; le principe de Pauli n’impose aucune relation
entre leurs spins :
– les spins des deux électrons peuvent être parallèles ; ils ont alors la même valeur
du nombre quantique magnétique de spin m s (doc. 16 b) ;
– les spins de ces deux électrons peuvent être opposés ou antiparallèles ; leurs
nombres quantiques magnétiques de spin ont alors des valeurs opposées (doc. 16 c).
Ces trois états ont-ils la même énergie ? Sinon, quel est celui qui correspond à
l’énergie minimale, c’est-à-dire à l’état fondamental de l’atome ?
La règle de Hund permet de déterminer la configuration la plus stable.
3.4.3. Règle de Hund
Classification périodique des éléments
Quand un niveau d’énergie est dégénéré et que le nombre d’électrons n’est
pas suffisant pour saturer ce niveau, l’état de plus basse énergie est obtenu
en utilisant le maximum d’orbitales atomiques, les spins des électrons non
appariés étant parallèles.
La configuration électronique du carbone dans son état fondamental s’écrit 1s 2 2s 2 2p 2 .
Conformément à la règle de Hund, elle correspond à un état comportant deux électrons
célibataires à spins parallèles (doc. 16 b).
L’application de la règle de Hund permet aussi de préciser la répartition des
électrons des atomes d’azote (Z(N) =7) et d’oxygène (Z(O) = 8) dans leur état
fondamental (doc. 17, 18).
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