Configuration électronique
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2008-07-11T08:43:47Z
Broadbot
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robot Ajoute: [[da:Elektronkonfiguration]]
En [[physique des particules]] comme en [[chimie quantique]], la '''configuration électronique''' est la répartition statistique dans l'espace des [[électron]]s (d'un [[atome]], d'une [[molécule]] ou de tout autre corps) suivant leur [[énergie]] et leur [[spin]].
Comme les autres [[particule élémentaire|particules élémentaires]], l'électron est soumis aux lois de la [[mécanique quantique]] et peut avoir un comportement décrit suivant les situations comme particulaire ou comme [[onde|ondulatoire]]. De manière formelle l'[[état quantique]] d'un électron peut-être décrit par une [[fonction d'onde]], de valeur [[nombre complexe|complexe]], fonction de l'espace et du temps. D'après l'[[interprétation de Copenhague]] de la mécanique quantique la position dans l'espace d'un électron particulaire n'est pas définie tant qu'une mesure de cette position n'est pas effectuée et, lors de la mesure, la [[probabilité]] de trouver l'électron en un endroit donné de l'espace est proportionnelle au carré du module de la fonction d'onde. C'est sur cette probabilité que repose la notion d'[[orbitale électronique]].
La connaissance de la répartition des électrons dans les différentes orbitales, conjointement à la connaissance de leurs [[spin]]s permet de définir des spins-orbitales déterminant complètement la configuration électronique du corps étudié.
La connaissance de la configuration électronique des atomes permet une interprétation de l'évolution des propriétés chimiques dans la [[classification périodique des éléments]]. La concept est également important pour l'établissement de la notion de [[liaison chimique]] dans les molécules, ou pour expliquer les propriétés des [[laser]]s et des [[semi-conducteur]]s.
== Le modèle quantique de l'atome et de la molécule ==
Dans le modèle quantique de l'atome (respectivement de la molécule), les électrons ne gravitent pas de façon circulaire (ou elliptique) autour du noyau atomique comme dans le [[modèle planétaire]] d'[[Ernest Rutherford]], mais occupent de manière [[probabilité|probabiliste]] des zones de l'espace. Une fonction mathématique appelée [[orbitale atomique]] (et par extension du concept aux [[molécule]]s, [[orbitale moléculaire]]) permet de décrire cette probabilité. La configuration électronique d'un atome ou d'une molécule est la répartition des électrons de cet atome ou de cette molécule dans ses différents orbitales, ainsi que son spin ([[spinorbitale]]s).
== Configuration d'un état - fondamental ou excité ==
Il y a plusieurs configurations électroniques pour un même atome ou une même molécule. Si l'état correspondant à configuration électronique est celui de la plus basse énergie, on qualifiera l'état de '''fondamental'''. Dans le cas contraire il sera qualifié d'état '''excité'''.
En première approximation l'énergie électronique du système est la somme des énergies associées à chaque électron qui le compose.
Ainsi, pour l'état fondamental d'un système la répartition se fait:
* par ordre croissant de l'énergie associée à la [[spinorbitale]] considérée.
* en cas d'égalité d'énergie entre spinorbitales, on place les électrons dans les spinorbitales de spin +1/2 avant de peupler les spins -1/2 ([[Règle de Hund]])
=== Fonction d'onde poly-électronique ===
{{Article détaillé|Spinorbitale}}
Chaque électron d'une configuration est décrit par une unique [[spinorbitale]], produit d'une fonction d'espace ([[orbitale]]) par une fonction de spin.
La fonction d'onde d'un état poly-électronique (à n électrons) peut être considérée comme un produit de [[spinorbitale]]s (produit de [[Douglas_Hartree|Hartree]]):
ψ(1,2,...n) = ϕ<sub>i<sub>1</sub></sub>(1).ϕ<sub>i<sub>2</sub></sub>(2)...ϕ<sub>i<sub>n</sub></sub>(n)
pour un électron k particulier ϕ<sub>i<sub>k</sub></sub>(k)= χ<sub>i<sub>k</sub></sub>(k).σ<sub>i<sub>k</sub></sub>(k)
* σ<sub>i<sub>k</sub></sub>(k) est la fonction de spin (sa valeur propre pour S<sub>z</sub> vaut m<sub>s</sub>=+1/2 ou -1/2)
* χ<sub>i<sub>k</sub></sub>(k) est la partie d'espace, que l'on appelle ''orbitale''.
À cause du [[principe d'exclusion de Pauli]] une orbitale peut contenir 2 électrons selon la valeur de m<sub>s</sub>.
La façon la plus compacte d'écrire la configuration électronique d'un système est celle où les électrons sont notés en exposant de l'orbitale :
* orbitale vide : χ<sub>i<sub>k</sub></sub><sup>0</sup>
* orbitale monooccupée: χ<sub>i<sub>k</sub></sub><sup>1</sup>
* orbitale bioccupée: χ<sub>i<sub>k</sub></sub><sup>2</sup>
=== Electron Célibataire ou électron appariés ===
* On dit qu'un électron est célibataire si l'orbitale qui le contient ne contient que lui.
* On dit que deux électrons sont appariés si ils partagent la même orbitale.
=== Énergie d'une configuration ===
L'énergie totale d'un système poly-électronique est la somme des énergies de ses composants et de celle des interactions entre ses composants ([[force électrostatique|répulsion]] entre électrons par exemple, ou [[interaction d'échange]]).
L'énergie associée à un électron correspond à celle de l'orbitale qui le contient. Cette énergie est calculable par des méthodes approchées qui relèvent de la mécanique quantique.
L'importance de la configuration électronique pour les propriétés et les difficultés d'obtention des énergies ont conduit à établir des modèles d'évaluation de l'ordre ou de l'énergie des orbitales ainsi que de l'interaction entre électron (par écrantage par exemple).
=== Multiplicité de spin d'une configuration ===
La somme des spins des électrons donne le spin total de la configuration: <math>S=\sum_{i=1}^{nbre.electrons}m_s(i)</math>
Ce nombre conduit à la multiplicité de spin de la configuration, qui se calcule selon <math>2S+1</math>
C'est le nombre de "micro-états" de la configuration électronique. Ainsi une configuration avec deux électrons appariés conduit à un seul micro-état: un '''[[singulet]]''' car il n'y a qu'une facon de mettre 2 électrons dans la même orbitale. De façon analogue, un électron célibataire conduit à un état '''doublet''' car on peut générer 2 micro-états : celui ou le spin est vers le haut (m<sub>s</sub>(i)=+1/2), et celui ou le spin est vers le bas (m<sub>s</sub>(i)=-1/2). Ces micro-états ont la même énergie mais sont différentiables par certaines [[spectroscopie]]s.
La notion de micro-état des [[:en:Spin triplet|triplets]] est plus complexe et rentre dans un domaine de spécialistes. Notons cependant l'importance de ces états triplets puisque que la configuration de l'oxygène que nous respirons est un '''triplet''', c'est à dire qu'il a deux électrons célibataires. (voir par exemple [[:en:Triplet oxygen|Oxygene triplet (en anglais)]] et les orbitales moléculaires de O2 : [[:en:Image:MOO2.png|OM de O2]]).
=== Symétrie d'espace d'une configuration ===
Les termes spectroscopiques rendent compte de la symétrie d'espace d'une configuration électronique. Ces symétries sont particulièrement riches pour les atomes, [a developper dans la partie atome si vous la gardez] mais se rencontrent également dans les molécules, en particulier les diatomiques [a developper dans la partie molécules si vous la gardez].
== Atome : approche par les nombres quantiques ==
=== Les nombres quantiques===
{{loupe|orbitale atomique}}
L'état d'un électron dans un atome peut être déterminé, en première approche, par la donnée de quatre [[nombre quantique|nombres quantiques]] : ''n'', ''l'', ''m<sub>l</sub>'' et ''m<sub>s</sub>''. Les trois premiers fournissent les propriétés de l'[[orbitale atomique]] dans laquelle se trouve l'électron en question
*Le [[nombre quantique principal]], noté ''n'', est un nombre entier positif et non nul.
*Le [[nombre quantique secondaire|nombre quantique secondaire (ou azimutal)]], noté ''l'', peut prendre n'importe quelle valeur entière dans l'intervalle [0 ; n-1]. Il est lié à la quantification du moment angulaire de l'orbitale ;
*Le [[nombre quantique magnétique]], noté ''m<sub>l</sub>'', peut prendre n'importe quelle valeur entière comprise dans l'intervalle [-l ; l]. Il est lié à la quantification de la projection du moment angulaire sur un axe particulier ;
*Le [[spin|nombre quantique de spin]], noté ''m<sub>s</sub>'', ne peut prendre que les valeurs +1/2 ou -1/2 (parfois appelée ''up'' et ''down''). Le ''spin'' est une propriété intrinsèque de l'électron et est indépendant des autres nombres.
=== Notion d'orbitale atomique ===
Une orbitale atomique correspond à un triplet (''n'', ''l'' , ''m<sub>l</sub>'') donné, ce triplet définissant la nature géométrique de l'orbitale. L'état d'un électron dans une orbitale est alors défini par son nombre quantique de spin ''m<sub>s</sub>''. Le principe d'exclusion de Pauli indique que deux électrons ne peuvent pas avoir leur quatre nombres quantiques identiques. Une orbitale étant définie par (n, l , m<sub>l</sub>) et m<sub>s</sub> ne pouvant prendre que deux valeurs, il ne peut coexister dans une même orbitale atomique qu'au maximum deux électrons. La donnée des valeurs des quatre nombres quantiques définissant complètement l'orbitale et le spin de l'électron, on part de spinorbitale associée à ce quadruplet.
À chaque doublet (n, l) est associée une notation permettant de décrire le type d'orbitale associée :
* l = 0 : l'orbitale est de type ''s''. Elle est notée ''ns''. Elle contient au maximum 2 électrons.
* l = 1 : l'orbitale est de type ''p''. Elle est notée ''np''. Elle contient au maximum 6 électrons.
* l = 2 : l'orbitale est de type ''d''. Elle est notée ''nd''. Elle contient au maximum 10 électrons.
* l = 3 : l'orbitale est de type ''f''. Elle est notée ''nf''. Elle contient au maximum 14 électrons.
* l = 4 : l'orbitale est de type ''g''. Elle est notée ''ng''. Nous supposons qu'elle pourrait contenir un maximum de 18 electrons.
''m<sub>l</sub>'' ne pouvant prendre que des valeurs dans l'intervalle [-l ; l], on a par exemple 1 seule orbitale atomique de type ''s'' pour un ''n'' donné, mais 7 orbitales atomiques de type ''f'' (pour des ''n'' égaux à 4 au minimum).
===Noms des orbitales atomiques (sous-couches)===
Les noms s, p, d et f proviennent d'un système de catégorisation à partir des [[raie spectrale|raies spectrales]] dites (en anglais) ''sharp'', ''principal'', ''diffuse'' ou ''fundamental'', basées sur l'observation de leur [[structure fine]]. Quand les quatre premiers types d'orbitales furent décrits, ils furent associés à ces quatre types de raies spectrales. La désignation ''g'' provient de la suite selon l'ordre alphabétique. Les couches avec plus de 6 sous-couches sont théoriquement possibles, mais pour l'instant aucun élément chimique n'a des électrons dans une sous-couche ''g'' . Le premier élément qui aurait un électron dans une sous-couche ''g'' serait l'[[Unbiunium]] ([[numéro atomique]] 121)
=== Répartition électronique dans l'état fondamental ===
[[Image:Electron orbitals.svg|right|thumb|350px|Orbitales atomiques (atome [[hydrogénoïde]]) et moléculaires (molécules diatomiques)]]
Afin de répartir tous les électrons d'un atome dans les différentes orbitales atomiques, celles-ci sont classées par énergie croissante et les électrons sont répartis prioritairement dans les orbitales d'énergie les plus faibles. On obtient alors la répartition électronique pour l'atome dans son état fondamental.
Si le calcul rigoureux des énergies des différentes orbitales atomiques doit être effectué dans le cadre de la mécanique quantique grâce à la méthode des déterminants de Slater, une approche simple par les nombres quantiques permet de retrouver l'essentiel des résultats dans le cas de l'atome.
En première approche l'énergie d'une orbitale est déterminée par le doublet (''n'', ''l'') et est croissante avec la somme (''n''+''l''). En cas d'égalité de cette somme pour deux orbitales différentes, l'orbitale de plus faible énergie est celle de ''n'' le plus petit.
Le remplissage des orbitales par énergie croissante est souvent appelé « principe d'''Aufbau'' » (allemand : construction ) et la règles de classement des orbitales « [[règle de Klechkowski]] ».
Compte tenu de ses différentes règles, les électrons se répartissent dans les orbitales dans l'ordre suivant :
''1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p''
=== Exemple ===
Voici la configuration électronique d'une couche n=5 remplie :
{| cellspacing = "15"
|'''Couche''' || '''Sous-couches''' || '''Orbitales''' || '''Type d'orbitale''' || '''Nombre maximum d'électrons'''
|-
|''n'' = 5 || ''l'' = 0 || ''m'' = 0 || ''s'' || 2
|-
| || ''l'' = 1 || ''m'' = -1, 0, +1 || ''p'' || 6
|-
| || ''l'' = 2 || ''m'' = -2, -1, 0, +1, +2 || ''d'' || 10
|-
| || ''l'' = 3 || ''m'' = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 || ''f'' || 14
|-
| || ''l'' = 4 || ''m'' = -4, -3 -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4 || ''g'' || 18
|-
| || || || || '''Total : 50 électrons maximum'''
|-
|}
Cette information peut être notée ainsi : 5s<sup>2</sup> 5p<sup>6</sup> 5d<sup>10</sup> 5f<sup>14</sup> 5g<sup>18</sup> (voir ci-dessous pour plus de détails sur la notation).
=== Correspondance avec la structure de la table périodique ===
La configuration électronique est intimement liée à la structure de la [[table périodique]]. Les propriétés chimiques d'un atome sont largement déterminées par l'arrangement des électrons dans la''' couche externe''' (ou '''couche de valence''').
=== Notation abrégée pour les atomes ===
Pour les atomes ayant plusieurs couches électronique totalement remplies, la notation peut devenir très longue. On peut alors abréger la notation en indiquant que la configuration des électrons de cœur (électrons d'une couche électronique totalement remplie, à l'exception des couches d ou f) ont une configuration identique à celle du [[gaz noble|gaz rare]] qui précède l'élément. Le phosphore, par exemple, ne diffère du [[néon]] (1''s''<sup>2</sup> 2''s''<sup>2</sup> 2''p''<sup>6</sup>) que par la présence d'une troisième couche. Donc la configuration électronique du néon est retirée, et le phosphore est noté ainsi : [Ne]3''s''<sup>2</sup> 3''p''<sup>3</sup>.
=== Exceptions ===
Cette approche simple par les nombres quantiques souffrent néanmoins d'un certain nombres d'exception, en particulier parmi les [[métal de transition|métaux de transition]] et les [[lanthanide]]s. Il ne faut pas oublier que les règles de remplissage ne sont qu'une approximation de la mécanique quantique qui décrit les atomes.
Une sous-couche à moitié remplie conduit a une configuration de spin maximal, ce qui lui confère une certaine stabilité en vertu de la [[règle de Hund]]. Par exemple, le [[chrome]] (numéro atomique 24) a une configuration de [Ar] 3d<sup>5</sup> 4s<sup>1</sup>, et non [Ar] 3d<sup>4</sup> 4s<sup>2</sup>.
<!-- je scinde les 2 points et je rassemble car avant c'était largement illogique -->
Un autre point remarquable concerne les sous-couches pleines. Par exemple, le [[cuivre]] (numéro atomique 29) a une configuration de [Ar]3d<sup>10</sup> 4s<sup>1</sup>, et non [Ar]3d<sup>9</sup> 4s<sup>2</sup>.
<!--pas de raison de citer les gaz rares dans la catégorie exceptions ! -->
{|class="wikitable"
| '''Élement''' || '''Z''' || '''Configuration électronique'''
|-
| [[Titane]] || 22 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>2</sup> 4s<sup>2</sup>
|-
| [[Vanadium]] || 23 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>3</sup> 4s<sup>2</sup>
|-
| [[Chrome]] || 24 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> <font color = "#FF00FF"> 3d<sup>5</sup> 4s<sup>1</sup> </font>
|-
| [[Manganèse]] || 25 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>5</sup> 4s<sup>2</sup>
|-
| [[Fer]] || 26 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>6</sup> 4s<sup>2</sup>
|-
| [[Cobalt]] || 27 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>7</sup> 4s<sup>2</sup>
|-
| [[Nickel]] || 28 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>8</sup> 4s<sup>2</sup>
|-
| [[Cuivre]] || 29 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> <font color = "#FF00FF"> 3d<sup>10</sup> 4s<sup>1</sup> </font>
|-
| [[Zinc]] || 30 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>10</sup> 4s<sup>2</sup>
|-
| [[Gallium]] || 31 || 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sup>6</sup> 3s<sup>2</sup> 3p<sup>6</sup> 3d<sup>10</sup> 4s<sup>2</sup> 4p<sup>1</sup>
|-
|}
==Molécules==
{{loupe|orbitale moléculaire|chimie numérique}}
Les molécules sont aussi régies par les lois de la mécanique quantique. Toutefois, l'obtention des énergies des [[orbitale moléculaire|orbitales moléculaires]] ne répond pas a une règle aussi simple que celle de Madelung (Klechkowski). Chaque molécule a une structure orbitalaire différente. Diverses méthodes existent pour la construction d'[[orbitale moléculaire|orbitales moléculaires]] (par exemple la [[combinaison linéaire d'orbitales atomiques]]). La [[chimie numérique]] est une branche de la chimie qui utilise les lois de la chimie théorique exploitées dans des codes informatiques spécifiques afin de calculer structures et propriétés des molécules et d'autres [[espèce chimique|espèces chimiques]].
==Cas des solides==
Dans un solide, les états électroniques deviennent très nombreux. Ils cessent d'être discrets, et se mélangent ensemble en une étendue continue d'états possibles, comme la bande de valence ou la bande de conduction. La notion de configuration électronique cesse d'être pertinente, et laisse la place à la [[théorie des bandes]].
== Notes et références ==
<references />
== Sources ==
{{Traduction/Référence|en|Electron configuration|197658201}}
==Voir aussi==
=== Articles connexes ===
* [[Orbitale atomique]]
* [[Niveau d'énergie]]
* [[Orbitales frontières]]
* [[Case quantique]]
* [[Terme spectroscopique]]
* [[Multiplicité de spin]]
=== Liens externes ===
* Tableau périodique par élément. [http://www.ktf-split.hr/periodni/fr/ un exemple] [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Zn/econ.html un autre site]
* Orbitales atomiques : [http://hypo.ge-dip.etat-ge.ch/physic/simulations/orbitales/orbitales.html?nfield=2&lfield=0&mfield=0 Changez n, l, m et cliquez "plot" ] (java 1.5 requis)
{{Portail|chimie|physique}}
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[[af:Elektronkonfigurasie]]
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[[bs:Elektronska konfiguracija]]
[[ca:Configuració electrònica]]
[[cs:Elektronová konfigurace]]
[[da:Elektronkonfiguration]]
[[de:Elektronenkonfiguration]]
[[en:Electron configuration]]
[[es:Configuración electrónica]]
[[eu:Konfigurazio elektroniko]]
[[fi:Elektronikonfiguraatio]]
[[gl:Configuración electrónica]]
[[hr:Elektronski omotač atoma]]
[[hu:Elektronszerkezet]]
[[is:Rafeindahýsing]]
[[it:Configurazione elettronica]]
[[ja:電子配置]]
[[ko:전자 배열]]
[[lt:Elektronų konfigūracija]]
[[mk:Електронска конфигурација]]
[[ms:Konfigurasi elektron]]
[[nl:Elektronenconfiguratie]]
[[no:Elektronkonfigurasjon]]
[[pl:Konfiguracja elektronowa]]
[[pt:Configuração electrónica]]
[[ro:Configuraţie electronică]]
[[ru:Электронная конфигурация]]
[[sh:Elektronska konfiguracija]]
[[sk:Elektrónová konfigurácia]]
[[sl:Elektronska konfiguracija]]
[[sr:Електронска конфигурација]]
[[sv:Elektronkonfiguration]]
[[tr:Elektron dizilimi]]
[[uk:Електронна конфігурація]]
[[uz:Elektron konfiguratsiyasi]]
[[vi:Cấu hình electron]]
[[zh:电子排布]]