Rappel sur la structure de l'atome

Généralités

L’atome est constitué de trois types de particules : les protons, les neutrons et les électrons.

Les électrons ont une charge électrique de \(-1.6 \times10^{-19}\) Coulombs (C) et une masse de \(9.8 \times 10^{-28}\) grammes. Les protons ont une charge électrique de \(+1.6 \times 10^{-19}\) Coulombs et une masse de \(1.67 \times 10^{-24}\) grammes. Les neutrons ont une charge électrique nulle et une masse de \(1.675 \times 10^{-24}\) grammes.

Le noyau est constitué de N particules : \(Z\) protons et \((N - Z)\) neutrons. Le nombre de masse A correspond au nombre total de neutrons et de protons. Le rapport entre le rayon de l’atome \(R\) et le rayon du noyau \(r\) est égal à \(R/r =10^5\).

Notons que pour un élément chimique donné, caractérisé par son numéro atomique \(Z\), il peut exister plusieurs isotopes contenant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents.

Les électrons autour du noyau

Autour du noyau, gravitent \(Z\) électrons, caractérisés par quatre nombres quantiques. Il est impossible de définir simultanément la position et la quantité de mouvement d’un électron. On définit donc la probabilité de présence de l’électron sur une orbitale qui peut être représentée par une ellipse dont le noyau est un foyer. On peut définir une orbitale par :

  • le nombre quantique principal \(n\) qui caractérise le grand axe de l’ellipse ou «couche» : couche \(K\) \((n=1)\), couche \(L\) \((n=2)\), ....., couche \(Q\) \((n=7)\) ;

  • le nombre quantique azimutal \(l\) qui caractérise le petit axe de l’ellipse \((0 ≤ l ≤ n-1)\) ou «sous-couche» : sous-couche \(s\) \((l=0)\), sous-couche \(p\) \((l=1)\), sous-couche \(d\) \((l=2)\) et sous-couche \(f\) \((l=3)\) ;

  • le nombre quantique magnétique \(m\) qui caractérise l’inclinaison du plan de l’orbitale par rapport au moment magnétique du noyau \((-l ≤ m ≤ +l)\) ;

  • le nombre quantique de spin qui caractérise les deux possibilités de rotation de l’électron sur lui-même (\(- 1/2\) ou \(+ 1/2\)).

Principe de remplissage

Selon le principe d’exclusion de Pauli, les électrons liés à un même noyau ne peuvent pas occuper le même état de mouvement autour du noyau. Aucune paire d’électrons ne peut avoir les quatre mêmes nombres quantiques. L’ordre de remplissage des états par les \(Z\) électrons est lié au principe d’occupation des états de moindre énergie (voir le tableau suivant).

Chaque couche \(n\) contient au maximum \(2n^2\) électrons. Par exemple sur la couche \(K\) \((n=1)\), deux électrons de spin opposés peuvent être présents ; ils sont sur la sous-couche \(s\) \((l=0)\). Sur la couche \(L\) \((n=2)\), deux électrons sont présents sur la sous-couche s \((l=0)\) et six électrons maximum sont présents sur la sous-couche \(p\) \((l=1)\), etc.

Structure électronique des éléments

Z

élément

1

s

1

H

1

2

He

2

Z

élément

1

2

s

s p

3

Li

2

1   

4

Be

2

2   

5

B

2

2 1

6

C

2

2 2

7

N

2

2 3

8

O

2

2 4

9

F

2

2 5

10

Ne

2

2 6

Z

élément

1

2

3

s

s p

s p d

11

Na

2

2 6

1   

12

Mg

2

2 6

2   

13

Al

2

2 6

2 1

14

Si

2

2 6

2 2

15

P

2

2 6

2 3

16

S

2

2 6

2 4

17

Cl

2

2 6

2 5

18

Ar

2

2 6

2 6

Z

élément

1

2

3

4

s

s p

s p d

s p d f

19

K

2

2 6

2 6   

1         

20

Ca

2

2 6

2 6   

2         

21

Sc

2

2 6

2 6 1

2         

22

Ti

2

2 6

2 6 2

2         

23

V

2

2 6

2 6 3

2         

24

Cr

2

2 6

2 6 5

1         

25

Mn

2

2 6

2 6 6

2         

26

Fe

2

2 6

2 6 7

2         

27

Co

2

2 6

2 6 8

2         

28

Ni

2

2 6

2 6 9

2         

29

Cu

2

2 6

2 6 10

1         

30

Zn

2

2 6

2 6 10

2         

31

Ga

2

2 6

2 6 10

2 1      

32

Ge

2

2 6

2 6 10

2 2      

33

As

2

2 6

2 6 10

2 3      

34

Se

2

2 6

2 6 10

2 4      

35

Br

2

2 6

2 6 10

2 5      

36

Kr

2

2 6

2 6 10

2 6      

Z

élément

1

2

3

4

5

s

s p

s p d

s p d f

s p d f

37

Rb

2

2 6

2 6 10

2 6      

1         

38

Sr

2

2 6

2 6 10

2 6      

2         

39

Y

2

2 6

2 6 10

2 6 1   

2         

40

Zr

2

2 6

2 6 10

2 6 2   

2         

41

Nb

2

2 6

2 6 10

2 6 3   

1         

42

Mo

2

2 6

2 6 10

2 6 5   

1         

43

Tc

2

2 6

2 6 10

2 6 6   

1         

44

Ru

2

2 6

2 6 10

2 6 7   

1         

45

Rh

2

2 6

2 6 10

2 6 8   

1         

46

Pd

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

47

Ag

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

1         

48

Cd

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2         

49

In

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 1      

50

Sn

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 2      

51

Sb

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 3      

52

Te

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 4      

53

I

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 5      

54

Xe

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 6      

Z

élément

1

2

3

4

5

6

s

s p

s p d

s p d f

s p d f

s p d f

55

Cs

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 6      

1         

56

Ba

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 6      

2         

57

La

2

2 6

2 6 10

2 6 10   

2 6 1   

2         

58

Ce

2

2 6

2 6 10

2 6 10 2

2 6      

2         

59

Pr

2

2 6

2 6 10

2 6 10 3

2 6      

2         

60

Nd

2

2 6

2 6 10

2 6 10 4

2 6      

2         

61

Pm

2

2 6

2 6 10

2 6 10 5

2 6      

2         

62

Sm

2

2 6

2 6 10

2 6 10 6

2 6      

2         

63

Eu

2

2 6

2 6 10

2 6 10 7

2 6      

2         

64

Gd

2

2 6

2 6 10

2 6 10 7

2 6 1   

2         

65

Tb

2

2 6

2 6 10

2 6 10 9

2 6      

2         

66

Dy

2

2 6

2 6 10

2 6 10 10

2 6      

2         

67

Ho

2

2 6

2 6 10

2 6 10 11

2 6      

2         

68

Er

2

2 6

2 6 10

2 6 10 12

2 6      

2         

69

Tm

2

2 6

2 6 10

2 6 10 13

2 6      

2         

70

yb

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6      

2         

71

Lu

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6      

2         

72

Hf

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 1   

2         

73

Ta

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 2   

2         

74

W

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 3   

2         

75

Re

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 4   

2         

76

Os

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 5   

2         

77

Ir

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 5   

2         

78

Pt

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 6   

1         

79

Au

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 7   

1         

80

Hg

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 9   

2         

81

Tl

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 

2 1      

82

Pb

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 

2 2      

83

Bi

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 

2 3      

84

Po

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 

2 4      

85

At

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 

2 5      

86

Rn

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 

2 6      

Z

élément

1

2

3

4

5

6

7

s

s p

s p d

s p d f

s p d f

s p d f

s

87

Fr

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10   

2 6      

1

88

Ra

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10   

2 6      

2

89

Ac

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10   

2 6 1   

2

90

Th

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10   

2 6 2   

2

91

Pa

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 2

2 6 1   

2

92

U

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 3

2 6 1   

2

93

Np

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 4

2 6 1   

2

94

Pu

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 5

2 6 1   

2

95

Am

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 7

2 6 1   

2

96

Cm

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 7

2 6 1   

2

97

Bk

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 8

2 6 1   

2

98

Cf

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 9

2 6 1   

2

99

Es

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 10

2 6 1   

2

100

Fm

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 11

2 6 1   

2

101

Md

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 12

2 6 1   

2

102

No

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 13

2 6 1   

2

103

Lr

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10 14

2 6 1   

2