La configuration électronique

Remplir les orbitales : les règles du jeu

La configuration électronique décrit comment les électrons d'un atome se répartissent dans les orbitales. Elle obéit à trois règles simples, qui combinent tout ce qu'on a vu.

Règle 1 : de la plus basse énergie vers le haut (Aufbau)

Les électrons occupent d'abord les orbitales de plus basse énergie, puis remplissent les niveaux supérieurs au fur et à mesure. On note les sous-couches par n suivi de la lettre (1s, 2s, 2p, 3s...), avec en exposant le nombre d'électrons.

   ordre de remplissage (energie croissante) :

   1s -> 2s -> 2p -> 3s -> 3p -> 4s -> 3d -> ...
   (bas)                                    (haut)

Règle 2 : le principe de Pauli

Chaque orbitale accueille au maximum deux électrons, de spins opposés. Donc : s -> 2 électrons max, p -> 6, d -> 10.

Règle 3 : la règle de Hund

Dans une même sous-couche (par exemple les trois orbitales p), les électrons occupent d'abord des orbitales séparées, avec des spins parallèles, avant de s'apparier. Ils « évitent » de se retrouver à deux tant qu'il reste des cases vides.

   Remplissage de 2p avec 3 electrons :

   CORRECT (Hund) :   [↑] [↑] [↑]      (chacun dans sa case, spins //)
   INCORRECT      :   [↑↓][↑] [ ]      (on apparie trop tot)

Un exemple complet : l'oxygène (8 électrons)

   1s : [↑↓]                    -> 2 electrons  (couche pleine)
   2s : [↑↓]                    -> 2 electrons
   2p : [↑↓][↑ ][↑ ]            -> 4 electrons  (Hund : on separe d'abord)

   configuration :  1s^2  2s^2  2p^4
   total : 2 + 2 + 4 = 8 electrons  ✔

On lit « un-s-deux, deux-s-deux, deux-p-quatre ». La somme des exposants (2+2+4) doit redonner le nombre total d'électrons, ici 8 pour l'oxygène.

Le lien avec le tableau périodique

La configuration explique directement la structure du tableau périodique :

   les elements d'une meme COLONNE ont la meme couche externe
        -> memes proprietes chimiques

   ex. couche externe "...2s^1"  (lithium)  et  "...3s^1" (sodium)
        -> tous deux alcalins, tres reactifs, un seul electron a ceder

Le numéro de la ligne correspond à la couche externe en cours de remplissage ; la position dans la ligne, au bloc (s, p, d) et au nombre d'électrons de valence. Le tableau périodique n'est rien d'autre qu'une carte des configurations électroniques.

En résumé

La configuration électronique se construit par trois règles : remplir des énergies croissantes (Aufbau), deux électrons max par orbitale de spins opposés (Pauli), et occuper des orbitales séparées à spins parallèles avant d'apparier (Hund). On la note 1s^2 2s^2 2p^4... La couche externe qui en résulte détermine les propriétés chimiques et la place de l'élément dans le tableau périodique — dont toute la structure découle de ces règles de remplissage.