Structures électroniques, cases quantiques,...

[bschaeffer]

Structure électronique, cases quantiques et classification périodique : le b.a.-ba

• Les cases quantiques et la structure électronique :
  Les orbitales s sont représentées par 1 case quantique
  Les orbitales p sont représentées par 3 cases quantiques
  Les orbitales d sont représentées par 5 cases quantiques
  Les orbitales f sont représentées par 7 cases quantiques
  Chaque case contenant au maximum 2 électrons de spins opposés (Règle de Hund).
  Un électron est représenté par une flèche.
  Par conséquent, il y aura maximum 2 flèches de sens opposé dans une même case.
  
  L'odre des sous-couches est le suivant :
  1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p
  (règle de Klechkowski... qui se retient avec un petit tableau à double entrée tout bête )
  /
• Structures électroniques des premiers éléments :
  H : 1 e^- sur la couche 1
  répartition électronique : 1s¹
  1 flèche vers le haut (ou le bas) dans la case 1s
  
  He : 2 e^- sur la couche 1
  répartition électronique : 1s²
  1 flèche en plus par rapport à H dans l'autre sens dans la case 1s
  => La case 1s est saturée.
  
  Li : 2 e^- sur la couche 1 et 1 sur la couche 2
  répartition électronique : 1s²2s¹
  on rajoute 1 flèche vers le haut (ou vers le bas) dans 2s (par rapport à He d'où l'écriture [He]2s¹ pour la structure de Li)
  
  Be : 2 e^- sur la couche 1 et 2 sur la couche 2
  répartition électronique : 1s²2s²
  on rajoute une flèche dans l'autre sens dans la case 2s par rapport à Li
  => La case 2s est saturée.
  
  B : 2 e^- sur la couche 1 et 3 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 1 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p¹
  une flèche en plus dans une des cases de 2p
  
  C : 2 e^- sur la couche 1 et 4 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 2 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p²
  Attention ! La flèche à rajouter par rapport à B est dans le même sens et dans une autre case de 2p !
  
  N : 2 e^- sur la couche 1 et 5 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 3 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p³
  Attention ! La flèche à rajouter par rapport à B (et C) est dans le même sens et dans la dernière case libre de 2p !
  => La couche 2p est à moitié remplie (important car énergétiquement stable)
  
  O : 2 e^- sur la couche 1 et 5 sur la couche 2 dont 2 dans 2s et 4 dans 2p.
  répartition électronique : 1s²2s²2p⁴
  Attention ! La flèche à rajouter par rapport à N est dans le sens opposé dans une case de 2p (déjà occupée par 1 e-)
  
  On termine avec
  F : 1s²2s²2p⁵
  et
  Ne : 1s²2s²2p⁶
  => La couche 2p est saturée.
  
  Le raisonnement est le même pour la suite... et comme partout, il y a bien sûr des exceptions.
  /
• La structure électronique et les blocs de la classification périodique des éléments.
  * Les 2 premières colonnes correspondent au remplissage de la sous-couche s (ns¹ et ns²). => bloc s
  
  * Les 6 dernières colonnes correspondent au remplissage de la sous-couche p (ns²p¹ jusqu'à ns²p⁶). => bloc p
  
  * Les éléments de transition (10 colonnes) correspondent au remplissage de la sous-couche d (ns²p⁶d¹ jusqu'à ns²p⁶d¹⁰).
  => bloc d
  
  * Les Lanthanides et Actinides (2 lignes de 14 colonnes) correspondent au remplissage de la sous-couche f (ns²p⁶d¹⁰f¹ jusqu'à ns²p⁶d¹⁰f¹⁴).
  => bloc f
  
  Cependant il y a des exceptions (toujours elles) :
  - La première déjà est l'hélium (He) : en 1s², il devrait se situé dans la deuxième colonne du tableau mais la couche s étant remplie (ou saturée) il apparaît dans la dernière colonne et fait partie des gaz rares - qui sont chimiquement stables et ne réagissent que très peu à cause de leur couche périphérique remplie (le Xénon est un peu à part mais cela est déjà traité dans un autre post).
  - Ensuite dans les éléments de transition, il y a quelques exceptions, notamment le cuivre qui, pour se stabiliser, n'a pas la configuration attendue (cela a déjà été abordé aussi dans un autre post), il y en a d'autres encore...
  - dans le bloc f, là il y a pas mal de "bousculades" côté structure électronique... Je vous laisse chercher les configurations si ça vous intéresse mais ce bloc est peu traité (à cause, sans doute, du nombre important de ces exceptions !?!)
  /
• Complément :
  Vous pouvez aller voir aussi ce magnifique site (en anglais).
  Choisissez un élément (au hasard ou pas).
  Descendez un peu sur la gauche
  > Electronic properties > Electronic configuration et vous pourrez découvrir le remplissage des cases quantiques suivant le nombre d'électrons

PS : Ce post est un medley de deux de mes réponses antérieures...

Les chimistes ne sont pas d'accord mais ils devraient comprendre que ce n'est pas la chimie qui fait la table de Mendeleiev mais la mécanique quantique. D'ailleurs au début, c'était la masse atomique, paramètre non chimique, qui était prise en compte par Mendeleiev. Pourtant, la table officielle est conforme à 3% près à la mécanique quantique. Pour qu'elle le soit à 100%, il suffit de mettre l'hélium dans la case vide qui l'attend à côté de l'hydrogène et de créer un bloc f pour les lanthanides et actinides.
La section de Chimie de l'Académie des Sciences n'a rien voulu savoir lorsque je le lui ai proposé. Ses experts m'ont répondu que c'était absurde.
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[PaulHuxe]

et ? Quelle est la question ?

Pour l'hélium, c'est un éternel débat, stérile pour moi. Qu'on le mette au dessus du Beryllium (couche s pleine) ou dans les gaz rares (couche de valence pleine), ça ne changera pas ma vie.
Pour la couche f, les cases existent déjà, elles sont juste déplacées pour gagner en compacité de la table.

La classification a été pensée par un chimiste, et justifiée et complétée par la mécanique quantique, je ne vois pas qui pourrait dire le contraire.

[bschaeffer]

et ? Quelle est la question ?

Pour l'hélium, c'est un éternel débat, stérile pour moi. Qu'on le mette au dessus du Beryllium (couche s pleine) ou dans les gaz rares (couche de valence pleine), ça ne changera pas ma vie.
Pour la couche f, les cases existent déjà, elles sont juste déplacées pour gagner en compacité de la table.

La classification a été pensée par un chimiste, et justifiée et complétée par la mécanique quantique, je ne vois pas qui pourrait dire le contraire.

La classification a évolué depuis Mendeleiev et elle continuera jusqu'à ce qu'elle soit mathématiquement et physiquement rigoureuse, ce qui arrivera lorsque les "décideurs" auront compris. Elle n'a pas été complétée par la mécanique quantique puisqu'elle ne lui est pas conforme.
L'anomalie de l'hélium crève les yeux: il suffit de voir la case vide à côté de l'hydrogène. Ou alors il faudra trouver un élément à y mettre selon le principe inventé par Mendeleiev.
Les lanthanides et les actinides doivent être 14 et non 15.
Ces anomalies sont certes bien connues mais les chimistes montent sur leurs grands chevaux lorsqu'on leur en parle. Ce n'est pas très scientifique.
Pourtant cela fait plus de 70 ans que Bohr, Pauli et d'autres ont créé une table conforme à la mécanique quantique. Dans certains ouvrages, on les trouve d'ailleurs toutes les deux.

[invite19431173]

C'est un débat sur la classification ?

Tu sais pourquoi on parle de "Medeleïev" ? Parce que c'est une des façons d'ordonner les différents éléments que celle "selon Medeleïev".

Si cette classification te choque, t'en prends une autre, et pas besoin de chercher plus loin.

Moi, je ne vois aucune problème.

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

la classification telle qu'elle est le plus souvent présentée répond à des besoins de chimistes et non à des besoin de mécanicien quantique. A savoir que l'hélium est un gaz inerte, donc pour un chimiste sa place est au-dessus du néon.
C'est la place de l'hydrogène qui est plus sujette à débat pour un chimiste : il s'oxyde au degré +I comme un métal alcalin, mais n'est pas un métal, il forme la molécule H₂, comparable à F₂ ou Cl₂ et des hydrures H^-, ce qui fait plutôt de lui un halogène... On le trouve le plus souvent au-dessus du lithium, mais parfois au-dessus du fluor et encore parfois (et c'est ce qui me parait plus juste philosophiquement) au milieu, comme tronant au sommet du tableau.

Pour les lanthanides et actinides le souci est différent.
-Leurs propriétés chimiques sont toutes très proches, il n'y a donc que peu d'interet pour un chimiste de les organiser dans des colonnes comme les autres éléments (IA, IIA, IIIB, IVB...).
-Il y a un souci de représentation : la classification dite superlongue (où le bloc f est insérée entre le bloc s et le bloc d) est peu pratique à mettre sur une feuille A4, on prefère donc les extraire du tableau.
-Il y a un souci quand à l'appartenance ou non au bloc f pour La (5d1 6s2) et Lu (4f14 5d1 6s2) d'une part et Ac (6d1 7s2) et Lw (5f14 6d1 7s2). Les quatre on une configuration apparentée à Sc et Y (la sous-couche f étant pleine pour Lu et Lw, elle n'intervient pas chimiquement), doit on donc considérer La et Ac comme des membres du bloc d ou du bloc f et idem pour Lu et Lw. Le souci étant que La et Ac font exception à la règle de Klechowski, ils devraient selon cette règle être 4f1 6s2 et 5f1 7s2 respectivement, ce qui feraient d'eux des membres non ambigus du bloc f.

m@ch3

[invite3992a954]

la classification telle qu'elle est le plus souvent présentée répond à des besoins de chimistes et non à des besoin de mécanicien quantique. A savoir que l'hélium est un gaz inerte, donc pour un chimiste sa place est au-dessus du néon.
C'est la place de l'hydrogène qui est plus sujette à débat pour un chimiste : il s'oxyde au degré +I comme un métal alcalin, mais n'est pas un métal, il forme la molécule H₂, comparable à F₂ ou Cl₂ et des hydrures H^-, ce qui fait plutôt de lui un halogène... On le trouve le plus souvent au-dessus du lithium, mais parfois au-dessus du fluor et encore parfois (et c'est ce qui me parait plus juste philosophiquement) au milieu, comme tronant au sommet du tableau.

Pour les lanthanides et actinides le souci est différent.
-Leurs propriétés chimiques sont toutes très proches, il n'y a donc que peu d'interet pour un chimiste de les organiser dans des colonnes comme les autres éléments (IA, IIA, IIIB, IVB...).
-Il y a un souci de représentation : la classification dite superlongue (où le bloc f est insérée entre le bloc s et le bloc d) est peu pratique à mettre sur une feuille A4, on prefère donc les extraire du tableau.
-Il y a un souci quand à l'appartenance ou non au bloc f pour La (5d1 6s2) et Lu (4f14 5d1 6s2) d'une part et Ac (6d1 7s2) et Lw (5f14 6d1 7s2). Les quatre on une configuration apparentée à Sc et Y (la sous-couche f étant pleine pour Lu et Lw, elle n'intervient pas chimiquement), doit on donc considérer La et Ac comme des membres du bloc d ou du bloc f et idem pour Lu et Lw. Le souci étant que La et Ac font exception à la règle de Klechowski, ils devraient selon cette règle être 4f1 6s2 et 5f1 7s2 respectivement, ce qui feraient d'eux des membres non ambigus du bloc f.

m@ch3

Bonsoir,

Malgré ce qui suit j'ai connaissance de l'histoire de la classification périodique. Notons que Mendéleiev s'est basé simultanément sur les masses atomiques et les propriétés chimiques des éléments. S'il a d'abord rangé les éléments par ordre croissant de leurs masses atomiques, il a ensuite procédé a certaines inversions en raison des propriétés chimiques des éléments concernés. Il a également prévu l'existence d'éléments non encore découverts et leur a réservé une place dans sa classification. Il est même allé jusqu'à estimer les propriétés chimiques de ces éléments inconnus, avec un certain succès.

Il y a deux dimensions possibles pour la classification périodique: à 18 et à 32 colonnes. Par commodité on a choisi de la représenter à 18 colonnes, ce qui correspond au remplissage d'une sous-couche s, d'une sous-couche d et d'une sous couche p. La représentation à 32 colonnes, que mach3 appelle "superlongue", correspondrait au remplissage d'une sous-couche s, d'une sous-couche f, d'une sous-couche d et enfin d'une sous-couche p.
Les éléments correspondant au remplissage d'une sous-couche f, les lanthanides et les actinides, sont représentés séparément.

Les éléments présentant une couche de nombre quantique principal n complète, soustraction faite de ses sous-couches qui, pour abréger, se remplissent uniquement après que des électrons aient rempli au préalable une sous-couche s de nombre quantique principal n'>n, conformément à la règle de Klechkowsky, occupent par construction la dernière colonne de la classification périodique. Ceci règle la question de la place de l'hélium dans la classification périodique, puisqu'il présente la couche principale n=1 complète, couche qui n'a d'ailleurs pas de sous-couche. C'est le seul élément de la dernière colonne à ne pas être dans le cas d'avoir comme dernière sous-couche complètement remplie une sous-couche p.

La règle de Klechkowsky souffre d'exceptions, mais il faut se rappeler qu'il s'agit de la structure électronique des atomes (à l'état fondamental évidemment) à l'état gazeux et isolés.

Concernant la place de l'élément hydrogène, évoquée par Mach3, disons le, il n'y a pas le choix. Cependant, ce n'est effectivement pas un métal dans les conditions ordinaires. Il se présente sous la forme d'un gaz constitué de molécules H2 et présente la température de liquéfaction la plus basse après l'hélium. Mais les métaux alcalins forment aussi des molécules diatomiques, en particulier Li. La molécule Li2 est en équilibre avec Li atomique à l'état gazeux. Cette molécule est néanmoins peu stable. Les alcalins de masse atomique supérieure forment également des molécules diatomiques, dont la stabilité décroît rapidement lorsque la masse atomique augmente. De plus les métaux alcalins forment des alcalures, ceci d'autant plus difficilement que leur masse atomique est élevée (c'est-à-dire que leur électronégativité diminue). Par exemple, lorsqu'on dissout du sodium métallique dans l'ammoniac liquide, on obtient d'abord la célèbre solution bleue contenant des ions Na+ et des électrons solvatés, responsables de la couleur de la solution. Lorsqu'on augmente la concentration en sodium la couleur bleue disparaît et on a en solution des ions Na+ et des ions Na-. Pour finir lorsqu'on augmente encore la concentration en sodium on n'a plus que des atomes de sodium solvatés.

Mais là n'est pas l'important. A l'exception probable des gaz rares ou nobles, qui soit dit en passant ne sont ni l'un ni l'autre, ne serait-ce que parce que l'air contient environ 1 % d'Ar et que Kr et Xe (Rn bien sûr aussi) forment des fluorures (ex. XeF6), des oxydes (ex. XeO4) et oxyfluorures, tous les éléments au delà d'une certaine pression deviennent métalliques. On a ainsi pu obtenir le silicium, le germanium, ainsi que l'iode, un halogène, sous forme métallique, sous très haute pression (désolé, j'avais les valeurs des pressions en tête quand j'ai préparé l'agrégation mais je les ai oubliées). A l'heure actuelle, on n'a pu atteindre sur Terre des pressions suffisantes pour rendre métalliques d'autres éléments considérés comme des non métaux. L'hypothèse a été émise que le coeur de Jupiter serait fait d'hydrogène métallique, du fait de la pression énorme qui y règne. Hypothèse qui est selon moi est à considérer avec grande prudence, mes doutes venant du bilan radiatif de Jupiter: Jupiter émet plus de rayonnement électromagnétique qu'il n'en reçoit du Soleil, ce qui suggère une température très élevée de son coeur et irait contre l'hypothèse en question.

Je suis entièrement d'accord avec mach3: en ce qui me concerne, La est le premier des lanthanides et Lu le premier des éléments de 3ème transition, Ac est le premier des actinides et Lr le premier des éléments de 4ème et dernière transition.

Bien à vous.

[bschaeffer]

la classification telle qu'elle est le plus souvent présentée répond à des besoins de chimistes et non à des besoin de mécanicien quantique. A savoir que l'hélium est un gaz inerte, donc pour un chimiste sa place est au-dessus du néon.
C'est la place de l'hydrogène qui est plus sujette à débat pour un chimiste : il s'oxyde au degré +I comme un métal alcalin, mais n'est pas un métal, il forme la molécule H₂, comparable à F₂ ou Cl₂ et des hydrures H^-, ce qui fait plutôt de lui un halogène... On le trouve le plus souvent au-dessus du lithium, mais parfois au-dessus du fluor et encore parfois (et c'est ce qui me parait plus juste philosophiquement) au milieu, comme tronant au sommet du tableau.

Reconnaissez que ces critères sont plutôt subjectifs, ce qui explique la variabilité de la présentation des tables. La seule table officielle est celle de l'IUPAC (International Union of Physics and Chemistry) adoptée par le CEA et la Cité des Sciences:

IUPAC

Le tableau périodique des éléments, sur le site de la Cité des Sciences (Site entièrement en Flash)

Propriétés des éléments f

Celle de Wikipedia est identique
Tableau_périodique_des_élément s

Voyez également ma position détaillée:
Classification_des_éléments_ch imiques_par_la_mécanique_quant ique

Pour les lanthanides et actinides le souci est différent.
-Leurs propriétés chimiques sont toutes très proches, il n'y a donc que peu d'interet pour un chimiste de les organiser dans des colonnes comme les autres éléments (IA, IIA, IIIB, IVB...).

On n'utilise plus les chiffres romains mais les chiffres arabes de 1 à 18

-Il y a un souci de représentation : la classification dite superlongue (où le bloc f est insérée entre le bloc s et le bloc d) est peu pratique à mettre sur une feuille A4, on prefère donc les extraire du tableau.

Ce n'est pas un problème

-Il y a un souci quand à l'appartenance ou non au bloc f pour La (5d1 6s2) et Lu (4f14 5d1 6s2) d'une part et Ac (6d1 7s2) et Lw (5f14 6d1 7s2). Les quatre on une configuration apparentée à Sc et Y (la sous-couche f étant pleine pour Lu et Lw, elle n'intervient pas chimiquement), doit on donc considérer La et Ac comme des membres du bloc d ou du bloc f et idem pour Lu et Lw. Le souci étant que La et Ac font exception à la règle de Klechowski, ils devraient selon cette règle être 4f1 6s2 et 5f1 7s2 respectivement, ce qui feraient d'eux des membres non ambigus du bloc f.

m@ch3

La règle de Klechowski est empirique. Il me semble que la structure électronique réelle des atomes est obtenue par des mesures spectroscopiques.
Il y a certes d'autres exceptions mais elles sont dues aux pertubations statistiques provoquées par les nombreux électrons.
Il semble plus cohérent de mettre Lu et Lw avec les métaux de transition et laisser La et Ac avec les lanthanides et les actinides.

[invite3992a954]

Reconnaissez que ces critères sont plutôt subjectifs, ce qui explique la variabilité de la présentation des tables. La seule table officielle est celle de l'IUPAC (International Union of Physics and Chemistry) adoptée par le CEA et la Cité des Sciences:

IUPAC

Le tableau périodique des éléments, sur le site de la Cité des Sciences (Site entièrement en Flash)

Propriétés des éléments f

Celle de Wikipedia est identique
Tableau_périodique_des_élément s

Voyez également ma position détaillée:
Classification_des_éléments_ch imiques_par_la_mécanique_quant ique


On n'utilise plus les chiffres romains mais les chiffres arabes de 1 à 18

Ce n'est pas un problème

La règle de Klechowski est empirique. Il me semble que la structure électronique réelle des atomes est obtenue par des mesures spectroscopiques.
Il y a certes d'autres exceptions mais elles sont dues aux pertubations statistiques provoquées par les nombreux électrons.
Il semble plus cohérent de mettre Lu et Lw avec les métaux de transition et laisser La et Ac avec les lanthanides et les actinides.

Bonjour,

Merci de faire preuve de politesse en commençant par bonjour par exemple et en terminant par une formule de politesse quelconque faute de quoi la personne à qui vous répondez pourra se considérer comme agressée, car quelques mots de politesse ne coûtent rien.

Pour ce qui est de votre dernière phrase, elle reprend celle de mach3 et vous ne le citez pas. J'ai repris le même propos avant vous, en le citant, moi, bien que j'ai le propos en question en tête depuis fort longtemps.

Savoir quelle est la juste balance entre empirisme et atomistique "moderne" pour construire la classification périodique officielle n'est en dernière analyse pas un débat scientifique mais épistémologique... Il se peut que ça vous semble "subjectif" de faire intervenir une branche de la Philosophie...

L'IUPAC décide de la classification officielle et c'est celle qui est et doit être utilisée pour l'enseignement.

Quant à tout chimiste digne de ce nom, il a une clasification périodique gravée dans sa tête, la sienne s'il veut, et il a parfaitement le droit d'en parler sans être agressé.

Bien à vous.

[Duke Alchemist]

Bonjour.

Je tiens de mon côté à préciser que le message qui a été repris (le mien en l'occurence) n'était pas là pour instaurer un débat chimie / MQ mais bien pour aider les étudiants qui rencontreraient quelques difficultés avec le remplissage des couches électroniques abordé en licence.

Voilà... c'est tout

Duke.