Configuration électronique et règles de remplissage

Compter et répartir les électrons

Une orbitale atomique est caractérisée par les nombres quantiques étudiés dans la fiche précédente. Ici, il suffit de retenir qu'une sous-couche de nombre quantique secondaire $\ell$ contient $2\ell+1$ orbitales :

• sous-couche $s$, avec $\ell=0$ : une orbitale ;
• sous-couche $p$, avec $\ell=1$ : trois orbitales ;
• sous-couche $d$, avec $\ell=2$ : cinq orbitales ;
• sous-couche $f$, avec $\ell=3$ : sept orbitales.

Chaque sous-couche est désignée par le nombre quantique principal $n$, qui indique la couche, suivi de la lettre associée à $\ell$. L'exposant indique le nombre d'électrons présents : l'écriture générale est donc $n\ell^x$, où $x$ est le nombre d'électrons de la sous-couche.

Il en résulte les capacités maximales $s^2$, $p^6$, $d^{10}$ et $f^{14}$.

Le nombre d'électrons à répartir dépend du numéro atomique et de la charge éventuelle de l'espèce.

Un atome neutre vérifie $z=0$, donc $N_e=Z$. Un cation possède $z>0$ et moins d'électrons que de protons. Un anion possède $z<0$ et davantage d'électrons que de protons.

Les trois règles de remplissage

Règle de Klechkowski

Cette règle classe les sous-couches selon leur énergie approximative dans les atomes polyélectroniques. L'énergie ne dépend pas seulement de $n$ : elle dépend aussi de la pénétration de l'orbitale vers le noyau et de l'écrantage exercé par les autres électrons.

L'ordre initial de remplissage est :

$$1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s,\ 4d,\ 5p,\ 6s,\ 4f,\ 5d,\ 6p,\ 7s$$

La règle donne un ordre de construction, mais certaines sous-couches voisines en énergie peuvent conduire à des configurations expérimentales particulières. Dans ce cas, la configuration observée prévaut sur le modèle de remplissage.

Principe d'exclusion de Pauli

Une orbitale peut ainsi être vide, contenir un électron célibataire ou contenir deux électrons appariés. Les deux électrons appariés sont représentés par des flèches opposées, $\uparrow\downarrow$, qui traduisent leurs valeurs opposées du nombre quantique de spin.

Règle de Hund

Cette répartition diminue les répulsions électroniques et stabilise l'état fondamental. Dans une sous-couche $p$, $d$ ou $f$, il faut donc placer un électron dans chaque orbitale disponible avant de commencer la formation de paires.

Établir une configuration électronique

Une configuration peut être écrite intégralement ou sous une forme condensée. Dans l'écriture condensée, les électrons internes sont remplacés par la configuration du gaz noble précédent, placée entre crochets. La construction et la position des gaz nobles dans la classification périodique relèvent de la fiche suivante.