niveau d'energie des orbitales ( niveau L1 )

[invite580492aa]

bonjour,


j'ai deux questions concernant les niveaux d'énergie des orbitales . je prends l'exemple de l'azote

la configuration de l'Azote 1s² 2s² 2p3

1) pour connaitre les orbitales ainsi que les niveaux d'énergies de ces orbitales faut résoudre une équation de mécanique quantique comprenant le noyau + 7 electrons ( pas mon niveau ) .

chaque case quantique de la sous couche 2p à la même énergie . ça signifie que les 3 électrons de la couche 2p ont la même énergie potentielle ( dans le livre ils disent énergie de première ionisation de l'Azote 14.53 ev)

maintenant supposons que l'atome d'Azote est ionisée , il reste 6 electrons dont 2 dans la couche 2p . Comme dans le livre ils disent que l'énergie de deuxième ionisation est de 29.6 ev , j'en déduis que normalement pour connaitre les orbitales et leur niveaux d'energies il faudrait normalement résoudre de nouveau l'équation de mécanique quantique comprenant le noyau + 6 electrons . qualitativement ça donnerait le même résultat , à savoir un configuration 1s² 2s² 2p² mais avec des energies différentes que 1s² 2s² 2p3 , au moins pour la couche 2p sinon on aurait une énergie de deuxième ionisation identique à celle de la première . Donc ma question concerne en fait les electrons des couches internes et leur niveau d'energie . Est ce que le niveau d'énergie des electrons qui sont dans 1s ( et 2s respectivement ) de l'atome d'Azote au complet est le même que le niveau d'énergie des electrons qui sont dans 1s (et 2s ) de l'atome d'Azote ionisée ( donc avec seulement 6 electrons ) ou alors légérement différents , ou alors avec une grosse différence du style du simple au double ?

2) les orbitales et leurs niveaux d'énergies de l'atome d'azote au complet sont quantifiés . ça signifie que quelque soit la manière dont on "range" ( je n'aime pas trop ce terme , mais il vient du livre ) les électrons ils ne peuvent qu'accéder à un nombre bien définit d'energie ? ça ne peut pas changer selon la position de l'electron ? J'explique ma question . dans l'Azote j'ai 1s² 2s² 2p3 dans la configuration d'énergie minimale de l'atome . mais il y a des orbitales disponibles , par exemple en 4d ou 4f . si effectivement un electron passe de 1s ( ou 2s ou 2p) à 4d ou 4f . est ce que ça change les solutions de l'équation donc leur niveau d'énergie ou reste t il fixe ? ou autrement dit une fois qu'on a résolu l'équation un noyau d'Azote + 7 electrons , les orbitales trouvées ainsi que leur niveaux d'energies sont fixes quelques soient l'arrangement des 7 electrons dans les orbitales ?

merci .
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[Sethy]

Je pense que ce schéma, va répondre à tes questions (N.B. : Il faudra attendre qu'il soit validé par un modérateur).

Les spectres de droite montrent le cas de l'Hélium excité et on voit bien l'explosion (en comparaison des spectres de gauche) du nombre de niveaux d'énergie accessible par le système. Comme le dit l'auteur dans le texte, à chaque niveau d'excitation pour un électron, correspond l'ensemble des niveau possible pour l'autre électron.

Donc, en gros (et bien qu'il y ait une infinité d'état, même à un électron), on pourrait dire que le nombre de niveaux d'énergie possible est de l'ordre du nombre de niveau qu'on considère "exposant" le nombre d'électrons du système.

Alors, il y a bien sûr des configuration beaucoup plus stables que d'autres, mais c'est l'idée.



Source : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011786/document

[invite580492aa]

bonsoir ,

merci pour la réponse , mais la source que vous m'indiquez n'est pas de mon niveau trop compliqué pour moi , j'ai besoin d'une réponse niveau L1 .


Dans le cas de la première question , je me doute que les niveaux d'énergies des orbitales des couches externes sont modifiés et augmentés avec la perte d'un électron , mais pour la couche interne ? fixe , modifié à la marge ou énormément ?

dans le cas de la deuxième question , je reformule . Dans le cas de l'atome hydrogène ou ions hydrogénoïdes les orbitales et leur niveaux d'énergies associés sont fixes et on peut ranger ( là pour le coup le terme ranger est adapté ) l'electron dans n'importe quelle case quantique, il aura l'énergie prévu par le calcul . Mais dans le cas d'un atome polyelectronique , est ce que les orbitales et leur niveaux d'energies sont fixes . autrement dit quand le calcul est effectué pour l'atome d'Azote , on obtient en résultat définitif d'orbitales avec leur niveaux d'energies associés dans lequel on puisse réellement ranger les électrons . Donc en résultat on a par exemple une orbitale 4f et une énergie associée à cette sous couche . Si je place mes 7 electrons dans dans cette sous couche 4f , auront ils l'énergie prévus pas le calcul initial .

[Resartus]

onjour,
En préambule, il faut préciser qu'on ne sait résoudre analytiquement l'équation de schrodinger que pour les hydrogénoïdes : 1 seul électron.
Au delà, la seule méthode possible est l'utilisation d'ordinateurs pour faire des calculs numériques de chimie quantique "ab initio", c'est à dire sans faire aucune hypothèse. Mais même les ordinateurs les plus puissants ne savent aujourd'hui mieux que quelques poignées d'atomes.

Et pour répondre précisément à votre question : oui tous les niveaux d'énergie dépendent de la configuration électronique complète. C'est lié aux énergies de répulsion entre électrons, qui vont dépendre des orbites occupées par tous les électrons présents.
C'est net sur les tables de l'helium fournies par Sethy, mais même si des atomes comme le Fer, les électrons les plus internes, qui sont pourtant bien cachés, ont une énergie d'expulsion différente entre Fe et Fe++, ce qu'on peut vérifier dans les raies spectroscopies.

Comme on n'a quand même pas attendu d'avoir des ordinateurs pour trouver des tendances en chimie, il a bien fallu trouver des modèles simplifiés.

Celui du remplissage progressif d'orbitales inspirées de celles calculées sur les hydrogénoïdes est un de ces modèles. Par construction, il ne pas prend pas en compte les interactions répulsives entre électrons (à l'exception de celle, qualitative, que constitue l'exclusion de pauli).
Ce n'est pas très gênant pour l'influence sur les couches internes complètes des électrons les plus extérieurs qui est assez faible, mais cela l'est pour les interactions de ces électrons entre eux.
Et ce modèle est faux dès le début, puisque il prévoit par exemple que les niveaux d'énergie ne dépendent que du nombre n.
On a donc été obligés de rajouter des hypothèses ad hoc pour le rendre un peu plus prédictif : d'abord étagement s<p<d<f, puis règle de kleschkowsky pour les atomes neutres (mais pas pour les ions), puis régles de hund (pour essayer de traiter les exceptions comme Cr et Cu), mais vous savez sans doute que cela capote pour la ligne suivante
Dans le même genre, quand on étudie les complexes des métaux de transition (je suppose que vous avez déjà commencé), on commence par supposer un champ répulsif des ligands, puis on complique en étudiant des orbitales moléculaires biatomiques, et comme cela ne suffira pas on finira par être obligés d'étudier (mais vous ne verrez pas cela avant la maitrise, je crois) les conséquences énergétiques des couplages répulsifs entre électrons présents sur les couches d

Et pour ce qui est des calculs, non, on ne sait pas calculer simplement les niveaux d'énergie absolus (sauf calculs ab initio, comme dit plus haut).
Le mieux qu'on sache faire, c'est, à partir d'une mesure d'une configuration de base, retrouver une estimation raisonnable de l'écart d'énergie d'une configuration voisine. Cela donnera au moins la direction de l'évolution, et peut-être même le bon ordre de grandeur… Cela suffit à la plupart des besoins

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite580492aa]

Merci beaucoup pour la réponse . Elle m'aide à mieux interpréter ce que je lis et me confirme que en fait c'est beaucoup plus dur et compliqué que ce que je croyais avoir compris en premières lectures . Il faut plusieurs lectures et allé retour entre les chapitres ( livre chimie physique de Paul Arnaud , la partie 1 description microscopique de la structure de la matière ) .

[invite580492aa]

J'ajoute une question qui vient juste de m'empecher de dormir . Toujours dans le cas de l'atome d'Azote . l'énergie de première ionisation est 14.53 ev et l'énergie de seconde ionisation est 29.6 ev . Si j'ai bien compris , on envoie un photon de 14.53 sur l'Atome d'Azote , il perd un electron de la sous couche 2p , ce qui implique une reconfiguration des électrons restant et notamment des deux électrons 2p restant qui passe d'un niveau d'energie 14.53 ev à un niveau d'energie 29.6 ev à cause de la reconfiguration .

mais alors ça signifie que lorsque j'envoie un photon de 14.53 ev sur un atome d'Azote , l'Atome d'Azote emet deux photons d'une energie 29.6ev - 14.53 ev =15.07 ev . J'ai bon ?

[Resartus]

Bonjour,

Les chiffres sont directement ceux d'ionisation successive : il faut un photon de 14,53 eV pour expulser le premier électron, et il faudra un photon de 29,6 eV pour expulser le second. L'énergie nécessaire est bien supérieure, parce que l'attraction électrostatique d'un noyau devenu plus positif est nettement plus forte.
Au passage, je m'aperçois que dans mon long laius, j'avais oublié de mentionner ce facteur essentiel pour la détermination de l'énergie des atomes et des ions. C'est le second terme d'énergie de l'équation de schrodinger (le premier étant l'énergie cinétique des électrons, et le troisième la répulsion entre électrons)

Slater a développé un modèle empirique qui permet d'estimer approximativement ces énergies, en prenant en compte la manière dont un électron d'une orbitale particulière subit une attraction réduite du noyau, à cause de l'effet d'écran des électrons de la même couche ou des couches inférieures. Ce modèle, bien que simple, donne de bons ordres de grandeur sur la manière dont les énergies évoluent en fonction du numéro atomique et de la charge de l'ion.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Règle_de_Slater