Configurations électroniques

La configuration électronique d’un atome représente la distribution des électrons entre ses orbitales atomiques. Le principe d’exclusion de Pauli, la règle de multiplicité maximale de Hund et le principe d’Aufbau peuvent être étendus pour envisager la configuration électronique de n’importe quel élément.

Le principe d’Aufbau stipule que dans l’état fondamental, les orbitales atomiques remplissent un ordre croissant d’énergie. Les énergies relatives des orbitales atomiques sont rationalisées par les interactions de Coulomb, l’effet de blindage et la pénétration orbitale.

Considérons la configuration électronique du carbone, un élément de numéro atomique six et donc neutre avec six électrons. L’orbitale1 s, qui a l’énergie la plus faible, est remplie en premier.

Selon le principe d’exclusion de Pauli, deux électrons d’un atome ne peuvent pas avoir le même ensemble de quatre nombres quantiques. Comme les électrons d’une même orbitale ont les mêmes nombres quantiques principaux, azimutaux et magnétiques, ils doivent avoir des nombres quantiques de spin différents.

Comme le nombre quantique de spin n’a que deux valeurs possibles, une orbitale ne peut accueillir que deux électrons, de spins opposés.

Bien que l’énergie augmente avec le nombre de couches, la plus grande pénétration des orbitales s abaisse l’énergie des orbitales s par rapport à celle des orbitales p.

Par conséquent, les deux électrons suivants occupent l’orbitale 2s et le cinquième entre dans la sous-couche 2p. Comme les orbitales d’une sous-couche sont présumées dégénérées, le cinquième électron peut entrer dans l’une des trois orbitales 2p dégénérées.

Le sixième électron suit la règle de multiplication maximale de Hund et occupe individuellement une orbitale dégénérée plutôt qu’une appariement. Par conséquent, pour le carbone, les deux électrons 2p occupent deux orbitales différentes et ont des spins parallèles.

Le diagramme de configuration électronique révèle que le carbone a deux électrons, appelés électrons de cœur, dans la couche interne et quatre électrons, appelés électrons de valence, dans les couches les plus externes.

L’ordre des orbitales atomiques par rapport à leurs énergies peut être mémorisé à l’aide de tels diagrammes, où la trajectoire de la flèche révèle la séquence dans laquelle les électrons sont attribués aux orbitales.

Cependant, cette progression devient plus complexe à mesure que les orbitales d et f sont introduites et la séquence devient moins prévisible pour les éléments de transition, les lanthanides et les actinides.