struCture éleCtronique des atomes
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5.5.2 classemeNtéNergétiquedesorbitales
Les niveaux d'énergie des orbitales atomiques (ou des cases quantiques) s'or
donnent différemment selon que le noyau est entouré d'un ou de plusieurs
électrons.
Niels Bohr avait déjà établi que l'énergie de l'électron d'un atome d'hydro
gène ou d'espèces chimiques ne comptant qu'un électron, tel l'ion He
+
, dépendait
uniquement de la valeur de n. La théorie quantique n'a pas modifié ce postu
lat. Par conséquent, les orbitales 2s et 2p d'un atome d'hydrogène possèdent
la même énergie. Et il en va pareillement pour l'électron qui occupe une des
orbitales 3s, 3p ou 3d ; cellesci se trouvent au même niveau ( figure 5.16 a).
Il en va tout autrement pour les atomes polyélectroniques. Dans ce cas,
les interactions ne se limitent pas à celles entre le noyau et les électrons,
mais englobent aussi celles entre les électrons euxmêmes. C'est pourquoi les
énergies des électrons d'atomes polyélectroniques dépendent non seulement
du nombre quantique principal, n, mais aussi du nombre quantique secon
daire, l. En conséquence, l'ordre des cases quantiques est alors établi selon la
somme de n et l ; plus celleci est basse, plus l'énergie associée à l'orbitale est
faible. Ainsi, comme on peut le voir à la figure 5.16 b), la case quantique 3d
correspond à une énergie supérieure à 4s : la somme n
+ l est égale à 5 pour
3d, tandis qu'elle vaut 4 pour 4s.
3d
n = 3, l = 2 n + l = 5
4s
n = 4, l = 0 n + l = 4
Énergie inférieure
Lorsque les sommes de n et l sont les mêmes pour deux orbitales, l'ordre
est alors déterminé d'après la valeur la plus basse de n, le nombre quantique
principal. Ainsi, 3d se classe avant 4p.
4p
n = 4, l = 1 n + l = 5
3d
n = 3, l = 2 n + l = 5
Énergie inférieure
La méthode illustrée à la figure 5.17 a) permet de mémoriser cet ordre.
Elle consiste à placer sur une diagonale les cases quantiques s, sur une autre,
les cases p, et ainsi de suite, tout en tenant compte des valeurs du nombre
quantique principal, n, soit en plaçant le niveau 2 audessus du niveau 1, le
niveau 3 audessus du niveau 2, etc. La figure 5.17 b) présente un autre moyen
mnémotechnique.
Figure 5.16
Énergiesrelativesdesorbitalesdel'hydrogène(a)etdesatomespoly
électroniques(b).
1s
3d
4d
Énergie croissante
a)
Hydrogène
4f
3p
4p
3s
4s
2p
2s
1s
3d
4d
Énergie croissante
4f
4p
5p
4s
6s
5s
3p
3s
2p
2s
b)
Atomes polyélectroniques
SAVIEZ-VOUSQUE...?
Lerayonnementémisparune
lampeàvapeurdesodiumfait
appelàdestransitionsélectro
niquesd'unniveauénergétique
àunautre.
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