Le principe de Pauli établit que deux électrons doivent différer par au moins un de leurs nombres quantiques. Ceci est donc vrai pour chacune des particules à semi-spin, également appelées
La première règle de Hund
On tient ainsi compte de la répulsion électronique, en positionnant les électrons sur le plus grand nombre possible de niveaux de manière à minimiser leur répulsion mutuelle : les électrons se repoussent moins s'ils sont affectés à des orbitales différentes.
Ce modèle décrit les électrons d'un atome à l'aide de quatre nombres quantiques n, ℓ, mℓ et ms, et cette nomenclature est également utilisée dans la description classique de l'état quantique des nucléons, c'est-à-dire des protons et des neutrons constituant les noyaux atomiques.
Pour déterminer la configuration électronique des éléments, on utilise un critère énergétique simple : l'état fondamental (de plus basse énergie) est obtenu en peuplant les orbitales de plus basse énergie. On remplit donc les sous-couches par le bas du spectre énergétique des orbitales.
L'ordre de remplissage des sous-couches électronique des atomes électriquement neutres à l'état fondamental rangés par numéro atomique croissant est donc : 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.
La répartition des électrons en sous-couches se nomme la configuration électronique de l'atome. La configuration électronique peut parfois être appelée structure électronique. Jusqu'à 18 électrons, les sous-couches se remplissent selon l'ordre suivant : 1s → 2s → 2p → 3s → 3p.
La sous-couche 3d doit être remplie avant la sous-couche 4s car elle a la plus petite valeur de 𝑛 + 𝑙 . Ce tableau pourrait être étendu pour déterminer l'ordre de remplissage des autres sous-couches.
Pour calculer le nombre d'atomes par couche électronique, il faut tout d'abord trouver dans le tableau périodique le nombre de couches électroniques et le nombre d'atomes qui se trouve sur la couche de valence. Toujours dans le tableau périodique, il y a le nombre d'électrons dans l'atome que nous voulons représenter.
Exceptions. Certains atomes ne respectent pas le principe de Klechkowski, surtout le cuivre, l'argent, l'or le chrome, le molybdène ou encore le palladium. En effet, dans ces atomes, on observe une couche d demi ou remplie, et une couche s dégarnie, tandis qu'elle devrait être totalement remplie.
La première couche (la plus proche du noyau) est représentée par la lettre K . Ce choix peut sembler étrange mais il s'explique par le fait que “K” est aussi la première lettre du mot Kernel signifiant “noyau” en allemand.
Nous pensons ici en particulier à la notion de potentialité qu'on retrouve chez l'un des pères fondateurs de la physique quantique, Werner Heisenberg.
quantique adj. Relatif aux quantons. quantique n.f. Branche de la physique qui traite des propriétés des quantons.
La physique quantique est un ensemble de théories physiques nées entre 1900 et 1930 et qui cherchent à expliquer le comportement des atomes et des particules (les électrons qui tournent autour du noyau d'un atome par exemple).
La couche K est donc la première couche à être remplie. C'est elle qui se trouve le plus près du noyau. C'est une couche ou les électrons ont tendance à être dans un état très stable. La couche L peut accueillir 8 électrons.
La règle de Klechkowski implique donc que les électrons occupent successivement les sous-couches d'un atome dans l'ordre suivant : 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.
Le remplissage des cases quantiques : Ex: Si on suit la règle de Hund, le principe de Pauli et le diagramme de Klechkovsky, on devrait remplir les cases selon le premier modèle qui est d9 s2 ; cependant, la configuration d10 s1 est plus stable. Chaque flèche correspond à un électron et chaque case à une orbitale.
Un nombre maximum d'électrons sur chaque couche électronique
Une couche électronique remplie est dite saturée. Lorsque l'atome se trouve dans son état fondamental, les électrons remplissent les couches « dans l'ordre alphabétique ».
Règle de l'octet (applicable aux atomes de numéro atomique Z > 4) : un atome ou un ion est stable si la couche externe (L, M...) est remplie avec huit électrons.
Limitations. La règle de l'octet n'est strictement valable que pour les éléments de la 2e période du tableau périodique à partir du béryllium, tandis que la règle du duet s'applique pour l'hydrogène, l'hélium et le lithium.
L'atome de magnésium (Mg) est défini par un numéro atomique Z=12 et un nombre de masse A=24. Il contient donc 12 protons (Z) et 12 électrons (Z) puisque l'atome neutre contient autant de protons que d'électrons : Z = Np = Ne.
Le chlore est dans la colonne 7. L'atome de chlore possède 7 électrons de valence.
Un atome de bore (numéro atomique 5) contient cinq électrons.
Le nombre maximum d'électrons par sous-couche est 2(2 ℓ + 1). e. Une orbitale atomique peut ne contenir qu'un seul électron.
Cette couche externe du cortège électronique est la dernière contenant encore des électrons, on l'appelle couche de valence : les électrons qu'elle contient sont les plus éloignés du noyau et y sont donc moins liés.