Orbitales et configuration électronique

Dans la leçon précédente, tu as vu que l'énergie d'un électron est quantifiée. Il faut maintenant savoir où placer les électrons d'un atome qui en contient plusieurs. Pour cela, les chimistes utilisent une adresse en quatre parties, les nombres quantiques, et trois règles de remplissage. Avec ces outils, tu sauras écrire la configuration électronique de n'importe quel élément courant, c'est-à-dire la liste de ses électrons rangés par niveaux. Cette écriture paraît abstraite au début, mais elle explique presque tout ce qui suit : la place dans le tableau, le nombre de liaisons d'un atome, la charge de ses ions.

Chaque électron d'un atome a une adresse en quatre nombres. Le premier, n, est le nombre quantique principal : il dit la couche, et plus il est grand, plus l'électron est loin du noyau et haut en énergie. Le deuxième, l, va de zéro à n moins un : il dit la sous-couche et la forme de l'orbitale. Le troisième, ml, va de moins l à plus l : il dit l'orientation de l'orbitale dans l'espace. Le quatrième, ms, ne prend que deux valeurs, plus un demi ou moins un demi : c'est le spin. Pense à une adresse postale : la ville, le quartier, la rue, puis la porte.

Chaque valeur de l porte une lettre et une forme. Pour l égal zéro, la sous-couche s n'a qu'une orbitale, une boule centrée sur le noyau. Pour l égal un, la sous-couche p en a trois, chacune faite de deux lobes de part et d'autre du noyau, pointés selon x, y et z. Les sous-couches d et f en ont cinq et sept, aux formes plus compliquées. Quelle que soit sa forme, une orbitale accueille deux électrons au plus. Attention au mot : une orbitale n'est pas un chemin que l'électron suivrait. C'est une zone, tracée là où la probabilité de rencontrer l'électron est forte, un peu comme la carte des rues où l'on croise le plus souvent un vendeur ambulant. La couche n compte n au carré orbitales.

On suit trois règles. La première, appelée en français règle de Klechkowski, donne l'ordre de remplissage, de l'énergie la plus basse à la plus haute : un s, deux s, deux p, trois s, trois p, puis quatre s avant trois d. La deuxième est le principe d'exclusion de Pauli : dans un même atome, deux électrons n'ont jamais la même adresse complète en quatre nombres ; une orbitale reçoit donc deux électrons au plus, et ces deux-là ont des spins contraires. La troisième est la règle de Hund : dans une sous-couche, les électrons s'installent d'abord seuls, un par orbitale et avec le même spin, avant de se mettre par deux. Comme dans un minibus où chacun prend une rangée libre avant de s'asseoir à côté de quelqu'un.

Commence par l'oxygène et ses huit électrons : deux en un s, deux en deux s, et les quatre derniers en deux p. La règle de Hund place trois électrons seuls dans les trois orbitales p, puis le quatrième rejoint l'un d'eux : il reste deux électrons célibataires. Passe au chlore, avec dix-sept électrons. Les dix premiers reproduisent exactement le cortège du néon ; plutôt que de les réécrire, on met le symbole du néon entre crochets, et on n'écrit que la suite : trois s deux, trois p cinq. Le potassium montre l'ordre de Klechkowski au travail : son dix-neuvième électron va en quatre s, pas en trois d. Le fer, enfin, s'écrit argon entre crochets, quatre s deux, trois d six. Vérifie toujours que le total des électrons est égal à Z.

Une configuration se lit en deux parties. Entre crochets, le gaz noble résume les électrons de cœur : serrés près du noyau, ils ne prennent pas part aux réactions ordinaires. Après les crochets viennent les électrons de valence, ceux de la couche la plus externe, qui forment les liaisons et qui partent ou arrivent quand un ion se forme. Le chlore en a sept, trois s deux et trois p cinq : avec un de plus, il aurait le cortège de l'argon, ce qui explique son ion chlorure de charge moins un. Pour les métaux de transition, on compte aussi les électrons d de l'avant-dernière couche, avec un piège quand ils forment des ions. Le nickel, présent dans de nombreuses pièces de monnaie, s'écrit argon entre crochets, quatre s deux, trois d huit. Son ion nickel deux plus perd les deux électrons quatre s, et non deux électrons trois d : il s'écrit argon entre crochets, trois d huit, et non quatre s deux, trois d six.

Quelques métaux de transition ne suivent pas l'ordre de Klechkowski, et deux d'entre eux sont à connaître par cœur. Le chrome, que la règle placerait en quatre s deux, trois d quatre, se trouve en réalité en quatre s un, trois d cinq. Le cuivre, attendu en quatre s deux, trois d neuf, se trouve en quatre s un, trois d dix. On les retient souvent avec une image : la sous-couche d préfère être à moitié remplie, ou complète. Prends cette image comme un moyen mnémotechnique, pas comme une loi. À la ligne suivante, le palladium n'a même plus aucun électron en cinq s, et plusieurs de ses voisins s'écartent aussi de la règle sans que l'image suffise à l'expliquer. Pour ces éléments, la configuration exacte se lit dans les tables de spectroscopie, comme celles du NIST citées dans les sources.

Retiens que chaque électron a une adresse en quatre nombres quantiques, et qu'une sous-couche s, p, d ou f contient au plus deux, six, dix ou quatorze électrons. Pour écrire une configuration, suis l'ordre de Klechkowski, ne mets jamais plus de deux électrons de spins opposés dans une orbitale, et remplis une sous-couche orbitale par orbitale avant d'apparier, comme le veut la règle de Hund. Distingue enfin les électrons de cœur, cachés derrière le gaz noble entre crochets, et les électrons de valence, qui font la chimie. Dans le module suivant, tu verras que le tableau périodique n'est rien d'autre que ces configurations rangées en lignes et en colonnes.