Chimie générale 202-SF1-RE (ancien 202-NYA) • Cégep à Montréal

Fiche de révision : structure atomique et configuration électronique (202-SF1-RE, ancien 202-NYA)

La structure atomique est le chapitre le plus abstrait de 202-SF1-RE (ancien 202-NYA), et pourtant celui où les erreurs sont les plus mécaniques : une longueur d'onde en nanomètres, une énergie par atome comparée à une énergie par mole, un signe de transition. Les idées sont comprises, les points partent ailleurs.

Cette fiche sépare ce qui est du cours de ce qui est du geste d'examen : les quatre règles de remplissage, les deux formules d'énergie et leurs unités, les tendances périodiques et leurs anomalies, et la liste des conversions qui coûtent le plus cher.

Le fil du chapitre

Tout ce chapitre repose sur une seule idée physique : un électron n'a que des énergies PERMISES. Les nombres quantiques, les configurations, les spectres et la périodicité ne sont que quatre façons de lire cette même contrainte.

Ce chapitre fait partie de Chimie générale 202-SF1-RE (ancien 202-NYA)

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Les propriétés de la matièreSecondaire 4 ST, Science et technologie Fiche

Notions couvertes

Isotopes
Masse atomique moyenne
Effet photoélectrique
Nombres quantiques
Configuration électronique
Principe d'exclusion de Pauli
Règle de Hund
Modèle de Bohr
Séries spectrales
Charge nucléaire effective
Énergie d'ionisation
Rayon atomique

L'essentiel

Les quatre nombres quantiques et leurs bornes

• $n$ , entier strictement positif : la couche. Elle contient $n^{2}$ orbitales et donc $2n^{2}$ électrons au maximum.
• $l$ , entier de $0$ à $n-1$ : la sous-couche, notée s, p, d, f. Un $l$ égal ou supérieur à $n$ est INTERDIT.
• $m_{l}$ : tous les entiers de $-l$ à $+l$ , donc $2l+1$ orbitales par sous-couche.
• $m_{s}=+\tfrac{1}{2}$ ou $-\tfrac{1}{2}$ : le spin, deux valeurs seulement.
• Trois règles de remplissage : Aufbau, par énergie croissante $1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\,4p$ ; Pauli, deux électrons au plus par orbitale et de spins opposés; Hund, une orbitale chacune avant d'apparier.

Un jeu de nombres quantiques se valide de gauche à droite : d'abord $l<n$ , puis $|m_{l}|\le l$ , puis $m_{s}=\pm\tfrac{1}{2}$ . Une seule violation rend le jeu impossible, et c'est une question de cours à chaque examen.

Les deux formules d'énergie, et leurs unités

• Photon : $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$ , avec $h=6{,}626\times 10^{-34}$ J·s, $c=3{,}00\times 10^{8}$ m/s et $\lambda$ EN MÈTRES.
• Niveaux de l'hydrogène : $E_{n}=-\dfrac{2{,}18\times 10^{-18}}{n^{2}}$ J, et pour un ion à un seul électron $E_{n}=-\dfrac{2{,}18\times 10^{-18}Z^{2}}{n^{2}}$ J.
• Transition : $\Delta E=E_{final}-E_{initial}$ . Négative quand l'atome ÉMET, positive quand il ABSORBE. Le photon, lui, a toujours une énergie positive $|\Delta E|$ .
• Effet photoélectrique : $E_{c,max}=h\nu-W_{0}$ . Sous le seuil, rien n'est éjecté, quelle que soit l'intensité.
• Par atome ou par mole : multiplier par $N_{A}=6{,}022\times 10^{23}$ pour passer des joules par atome aux joules par mole.

Les niveaux se resserrent vers le haut : c'est pourquoi les transitions qui retombent sur

n=1

libèrent beaucoup plus d'énergie, donc de l'ultraviolet, que celles qui retombent sur

n=2

, qui donnent du visible.

Deux conversions valent à elles seules la moitié des points perdus du chapitre : les nanomètres en mètres ( $1$ nm $=10^{-9}$ m) et les joules par atome en kilojoules par mole.

La périodicité, et les deux règles qui l'expliquent

• La charge nucléaire effective $Z_{eff}$ AUGMENTE de gauche à droite dans une période, parce qu'on ajoute des protons sans ajouter de couche.
• Rayon atomique : DIMINUE de gauche à droite (attraction plus forte), AUGMENTE de haut en bas (une couche de plus).
• Énergie d'ionisation et électronégativité suivent la tendance INVERSE du rayon : plus petit, plus difficile à ioniser.
• Un CATION est toujours plus petit que son atome, un ANION toujours plus grand : le premier perd souvent une couche entière, le second ajoute une répulsion sans ajouter de proton.
• Anomalies à connaître : le bore sous le béryllium et l'oxygène sous l'azote pour l'énergie d'ionisation, dues respectivement au passage en sous-couche p et à la première paire appariée.

Les énergies d'ionisation successives donnent le groupe : le SAUT brutal se produit dès qu'on attaque le coeur électronique, donc juste après le dernier électron de valence.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Laisser une longueur d'onde en nanomètres dans la formule de l'énergie

3 points, et un facteur $10^{9}$ sur le résultat

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $\lambda=656$ nm, donc $E=\dfrac{hc}{\lambda}=\dfrac{(6{,}626\times 10^{-34})(3{,}00\times 10^{8})}{656}=3{,}03\times 10^{-28}$ J. »

Ce qu'il faut écrire

« $\lambda=656$ nm $=6{,}56\times 10^{-7}$ m, donc $E=3{,}03\times 10^{-19}$ J. »

Pourquoi : Les constantes $h$ et $c$ sont données en unités du système international. Toute longueur qui entre dans la même formule doit l'être aussi, sinon le résultat est faux d'exactement un milliard.

2. Se tromper de signe entre émission et absorption

2 points, et une série spectrale mal identifiée

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'atome passe de $n=3$ à $n=2$ , donc il absorbe un photon d'énergie $\Delta E=+3{,}03\times 10^{-19}$ J. »

Ce qu'il faut écrire

« $\Delta E=E_{2}-E_{3}=-3{,}03\times 10^{-19}$ J : l'atome DESCEND, donc il ÉMET. Le photon emporte $3{,}03\times 10^{-19}$ J, valeur positive. »

Pourquoi : Le signe de $\Delta E$ décrit l'ATOME, l'énergie du photon décrit la lumière. Descendre libère, monter coûte : c'est le seul sens à retenir, et il détermine si l'on parle d'émission ou d'absorption.

3. Retirer les électrons de la sous-couche d pour former un cation de transition

toute la question, 4 points, et le magnétisme faux dans la foulée

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le fer est $[Ar]4s^{2}3d^{6}$ , donc $Fe^{2+}$ est $[Ar]4s^{2}3d^{4}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« On retire d'abord les électrons de la couche $n$ la plus grande : $Fe^{2+}$ est $[Ar]3d^{6}$ , sans aucun électron $4s$ . »

Pourquoi : L'ordre de REMPLISSAGE ( $4s$ avant $3d$ ) n'est pas l'ordre de VIDAGE. Une fois le $3d$ occupé, il descend en énergie sous le $4s$ , qui devient la couche externe et part le premier.

4. Croire qu'augmenter l'intensité lumineuse finit par arracher un électron

toute la question de raisonnement, 4 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La lumière rouge n'éjecte rien de ce métal, mais avec une lampe cent fois plus puissante on y arrivera. »

Ce qu'il faut écrire

« L'éjection dépend de la FRÉQUENCE de chaque photon, pas du nombre de photons. Sous le seuil $\nu_{0}=\dfrac{W_{0}}{h}$ , rien n'est éjecté, quelle que soit l'intensité. »

À gauche du seuil la courbe est PLATE À ZÉRO : aucune fréquence trop basse n'éjecte quoi que ce soit. L'intensité multiplie le nombre d'électrons, jamais leur énergie.

Pourquoi : Un électron absorbe UN photon à la fois. Cent photons trop faibles restent cent photons trop faibles : c'est exactement l'expérience qui a imposé la notion de quantum.

5. Calculer une masse atomique moyenne sans pondérer par les abondances

3 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le chlore a deux isotopes, $34{,}97$ et $36{,}97$ : sa masse atomique vaut $\dfrac{34{,}97+36{,}97}{2}=35{,}97$ u. »

Ce qu'il faut écrire

« Avec $75{,}77\%$ et $24{,}23\%$ : $M=0{,}7577(34{,}97)+0{,}2423(36{,}97)=35{,}45$ u, ce que confirme le tableau périodique. »

Pourquoi : La masse du tableau est une moyenne PONDÉRÉE. Comparer son résultat à la valeur du tableau périodique est d'ailleurs la vérification la plus immédiate du chapitre.

6. Croire qu'un anion est plus petit que son atome

3 points, et un classement de rayons entièrement faux

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $Cl^{-}$ a gagné un électron, donc il est plus compact que $Cl$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $Cl^{-}$ est PLUS GROS que $Cl$ : un électron de plus pour le même nombre de protons, donc plus de répulsion et une charge nucléaire effective plus faible par électron. »

Le cation a perdu toute sa couche externe, donc il RÉTRÉCIT beaucoup. L'anion a gagné un électron sans gagner de proton, donc il GROSSIT : les deux ions ont ici échangé leurs tailles relatives par rapport aux atomes.

Pourquoi : Ce qui décide de la taille, c'est le rapport entre le nombre de protons et le nombre d'électrons. Ajouter un électron sans ajouter de proton dilate le nuage; en retirer un le contracte, et le cation perd souvent une couche entière.

7. Écrire une configuration du chrome ou du cuivre sans l'exception

2 points, et le nombre d'électrons célibataires faux

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le chrome, $Z=24$ : $[Ar]4s^{2}3d^{4}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $[Ar]4s^{1}3d^{5}$ : une sous-couche $d$ à demi remplie est plus stable. De même le cuivre est $[Ar]4s^{1}3d^{10}$ , jamais $4s^{2}3d^{9}$ . »

Pourquoi : Ces deux exceptions sont les seules exigibles au cégep, et elles se paient deux fois : d'abord sur la configuration, ensuite sur le paramagnétisme, qui compte les électrons célibataires.

8. Confondre une énergie par atome et une énergie par mole

3 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'ionisation de l'hydrogène coûte $2{,}18\times 10^{-18}$ kJ/mol. »

Ce qu'il faut écrire

« $2{,}18\times 10^{-18}$ J par ATOME, soit $2{,}18\times 10^{-18}\times 6{,}022\times 10^{23}=1{,}31\times 10^{6}$ J/mol, c'est-à-dire $1310$ kJ/mol. »

Pourquoi : Les tables d'énergie d'ionisation sont en kilojoules par mole, les formules quantiques en joules par atome. Passer de l'une à l'autre demande $N_{A}$ puis une division par mille.

9. Proposer un jeu de nombres quantiques impossible

2 points par jeu, et la question est souvent posée cinq fois

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $n=2$ , $l=2$ , $m_{l}=0$ , $m_{s}=+\tfrac{1}{2}$ décrit un électron $2d$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $l$ ne peut aller que jusqu'à $n-1$ , donc $l=2$ est interdit pour $n=2$ : la sous-couche $2d$ n'existe pas. »

Pourquoi : Les bornes ne sont pas des conventions, elles sortent de la résolution de l'équation d'onde. C'est aussi pour cela qu'il n'y a que deux électrons en première couche et huit en deuxième.

10. Lire le mauvais rang dans les énergies d'ionisation successives

3 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le saut se produit après la troisième ionisation, donc l'élément est en période 3. »

Ce qu'il faut écrire

« Le saut après la troisième ionisation dit qu'il y a TROIS électrons de valence, donc que l'élément est du GROUPE 13, pas de la période 3. »

Pourquoi : Le saut marque le passage au coeur électronique. Il compte donc des électrons de valence, ce qui donne la colonne, jamais la ligne du tableau périodique.

Quelle méthode choisir

Quelle formule d'énergie utiliser

La grandeur fournie par l'énoncé

Si l'énoncé donne une longueur d'onde ou une fréquence → $E=\dfrac{hc}{\lambda}$ ou $E=h\nu$ , après conversion en mètres et en hertz

Exemple : $656$ nm donnent $3{,}03\times 10^{-19}$ J
Si l'énoncé donne deux niveaux $n$ de l'hydrogène → $\Delta E=-2{,}18\times 10^{-18}\left(\dfrac{1}{n_{f}^{2}}-\dfrac{1}{n_{i}^{2}}\right)$ puis $\lambda=\dfrac{hc}{|\Delta E|}$

Exemple : de $n=3$ à $n=2$ , raie rouge à $656$ nm
Si l'énoncé parle d'un ion à UN SEUL électron → même formule multipliée par $Z^{2}$

Exemple : $He^{+}$ a des niveaux quatre fois plus profonds que l'hydrogène
Si l'énoncé parle d'un métal éclairé et d'électrons éjectés → $E_{c,max}=h\nu-W_{0}$ , avec le seuil $\nu_{0}=\dfrac{W_{0}}{h}$

Exemple : un travail d'extraction de $2{,}0$ eV donne un seuil à $4{,}84\times 10^{14}$ Hz
Si l'énoncé donne une masse et une vitesse et parle de longueur d'onde → de Broglie, $\lambda=\dfrac{h}{mv}$ , jamais la formule du photon

un objet macroscopique donne une longueur d'onde de l'ordre de $10^{-34}$ m, donc inobservable

Avant tout calcul, écrire les unités visées : joules par atome, kilojoules par mole, électronvolts. Le facteur $N_{A}$ et le facteur $1{,}602\times 10^{-19}$ ne s'oublient jamais quand la cible est écrite d'avance.

Comment écrire une configuration électronique

L'espèce demandée : atome neutre, cation, anion

Si atome neutre du bloc s ou p → Aufbau direct, en s'arrêtant au bon nombre d'électrons

Exemple : $S$ , $Z=16$ : $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{4}$
Si atome neutre du bloc d → Aufbau, PUIS vérifier si c'est le chrome ou le cuivre

Exemple : $Cr$ : $[Ar]4s^{1}3d^{5}$ , pas $4s^{2}3d^{4}$
Si cation d'un métal de transition → partir de l'atome neutre et retirer d'abord les électrons de plus grand $n$ , donc les $4s$

Exemple : $Fe^{2+}$ : $[Ar]3d^{6}$
Si anion → ajouter les électrons selon Aufbau, ce qui donne souvent la configuration du gaz noble suivant

Exemple : $Cl^{-}$ : $[Ne]3s^{2}3p^{6}$ , isoélectronique de l'argon
Si l'énoncé demande le paramagnétisme → dessiner les cases quantiques de la DERNIÈRE sous-couche et appliquer Hund

un seul électron célibataire suffit à rendre l'espèce paramagnétique

Toujours vérifier le total : la somme des exposants doit valoir $Z$ pour un atome neutre, $Z$ moins la charge pour un cation, $Z$ plus la charge pour un anion. Ce contrôle prend trois secondes et attrape presque toutes les erreurs.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Calculer la longueur d'onde d'une transition électronique

Quand l'utiliser : L'énoncé donne deux niveaux de l'hydrogène ou d'un ion hydrogénoïde et demande la couleur, la longueur d'onde ou la série.

1 Écrire les deux énergies séparément avec leur signe : $E_{i}$ et $E_{f}$ , en joules.
2 Calculer $\Delta E=E_{f}-E_{i}$ et dire explicitement s'il s'agit d'une émission ou d'une absorption selon son signe.
3 Prendre la VALEUR ABSOLUE pour l'énergie du photon, puis $\lambda=\dfrac{hc}{|\Delta E|}$ avec toutes les grandeurs en unités du système international.
4 Convertir en nanomètres et nommer le domaine : ultraviolet sous $400$ nm, visible entre $400$ et $700$ nm, infrarouge au-delà.
5 Identifier la série d'après le niveau d'ARRIVÉE : Lyman vers $n=1$ , Balmer vers $n=2$ , Paschen vers $n=3$ .

Phrase de conclusion

« La transition de $n=3$ vers $n=2$ donne $\Delta E=-3{,}03\times 10^{-19}$ J : l'atome émet un photon de $3{,}03\times 10^{-19}$ J, soit $\lambda=656$ nm, une raie rouge de la série de Balmer. »

Le piège : Nommer la série d'après le niveau de départ. C'est toujours le niveau d'ARRIVÉE qui donne le nom, parce que c'est lui qui fixe l'ordre de grandeur de l'énergie libérée.

Barème : Typiquement 1 point pour les deux énergies, 1 pour le signe interprété, 2 pour la longueur d'onde, 1 pour le domaine et la série.

Justifier un classement périodique

Quand l'utiliser : L'énoncé demande de ranger des espèces par rayon, par énergie d'ionisation ou par électronégativité.

1 Situer chaque espèce dans le tableau : période et groupe, en écrivant sa configuration si nécessaire.
2 Appliquer la règle de la période, en invoquant explicitement $Z_{eff}$ qui croît vers la droite.
3 Appliquer la règle du groupe, en invoquant le nombre de couches qui croît vers le bas.
4 Traiter les ions à part : cation plus petit, anion plus grand, et pour une série isoélectronique, plus de protons signifie plus petit.
5 Conclure par un classement complet avec le symbole d'inégalité, et signaler l'anomalie s'il y en a une.

Phrase de conclusion

« Dans une même période, $Z_{eff}$ croît de gauche à droite, donc le rayon décroît; dans un même groupe, une couche s'ajoute, donc le rayon croît. On obtient $r(Na^{+})<r(Cl)<r(Na)<r(Cl^{-})$ . »

Le piège : Comparer deux espèces qui ne sont ni dans la même période ni dans le même groupe sans passer par une troisième. Le tableau ne donne des tendances que le long d'une ligne ou d'une colonne.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

La somme des exposants contre $Z$

Additionner mentalement tous les exposants d'une configuration : le total doit valoir $Z$ pour l'atome neutre, ajusté de la charge pour un ion.

Une configuration du fer dont les exposants totalisent $25$ au lieu de $26$ : un électron a été oublié quelque part.
La masse atomique comparée au tableau périodique

Toute masse atomique moyenne calculée doit retomber sur la valeur du tableau, à la deuxième décimale près. C'est une vérification instantanée et infaillible.

Un $35{,}97$ pour le chlore, alors que le tableau affiche $35{,}45$ : la pondération n'a pas été faite.
Le domaine spectral contre la transition

Une transition vers $n=1$ doit tomber dans l'ultraviolet, une transition vers $n=2$ dans le visible. Un résultat qui contredit cela signale une erreur de niveaux.

Une longueur d'onde de $1875$ nm annoncée dans la série de Balmer : $1875$ nm est de l'infrarouge, c'est du Paschen.
L'exposant de la puissance de dix

Une énergie de photon visible vaut environ $3\times 10^{-19}$ J, une énergie d'ionisation environ $10^{3}$ kJ/mol. Deux repères qui cadrent presque tous les résultats du chapitre.

Un $3\times 10^{-28}$ J pour un photon rouge : les nanomètres n'ont pas été convertis.
L'ordre des rayons relu sur le tableau

Placer les espèces sur un croquis du tableau périodique et suivre les deux flèches. Un classement qui remonte une période ET descend un groupe en même temps n'est pas justifiable.

Un rayon du soufre annoncé supérieur à celui du sodium : ils sont sur la même période, donc c'est l'inverse.

L'exercice type décortiqué

La lampe à hydrogène, de la raie rouge à l'énergie d'ionisation

Une lampe à décharge contient de l'hydrogène atomique. On observe la raie correspondant à la transition de $n=3$ vers $n=2$ .

Calculer l'énergie du photon émis et sa longueur d'onde, puis identifier la série et le domaine spectral. Déterminer ensuite l'énergie d'ionisation de l'hydrogène depuis son état fondamental, en joules par atome et en kilojoules par mole, ainsi que la longueur d'onde maximale capable de l'ioniser.

Données : $E_{n}=-\dfrac{2{,}18\times 10^{-18}}{n^{2}}$ J, $h=6{,}626\times 10^{-34}$ J·s, $c=3{,}00\times 10^{8}$ m/s, $N_{A}=6{,}022\times 10^{23}$ /mol.

Étape 1

$E_{3}=-\dfrac{2{,}18\times 10^{-18}}{9}=-2{,}422\times 10^{-19}$ J et $E_{2}=-\dfrac{2{,}18\times 10^{-18}}{4}=-5{,}450\times 10^{-19}$ J.

Pourquoi

Écrire les deux énergies séparément, avec leur signe négatif, évite l'erreur de signe de la ligne suivante. Le niveau $2$ est PLUS BAS que le niveau $3$ , ce qui se voit immédiatement sur ces deux nombres.

Étape 2

$\Delta E=E_{2}-E_{3}=-5{,}450\times 10^{-19}+2{,}422\times 10^{-19}=-3{,}028\times 10^{-19}$ J. Le signe est négatif, donc l'atome ÉMET un photon d'énergie $3{,}028\times 10^{-19}$ J.

Pourquoi

La phrase d'interprétation vaut un point à elle seule dans la plupart des barèmes, et elle empêche de repartir avec un signe négatif dans la formule de la longueur d'onde, où il n'aurait aucun sens.

Étape 3

$\lambda=\dfrac{hc}{|\Delta E|}=\dfrac{(6{,}626\times 10^{-34})(3{,}00\times 10^{8})}{3{,}028\times 10^{-19}}=6{,}566\times 10^{-7}$ m, soit $657$ nm.

Pourquoi

Le résultat est donné en mètres par la formule, et c'est seulement à la fin qu'on convertit en nanomètres pour le rendre lisible. L'inverse, convertir avant, est exactement l'erreur du premier piège.

Étape 4

$657$ nm se situe entre $400$ et $700$ nm : c'est du VISIBLE, dans le rouge. Le niveau d'arrivée est $n=2$ , donc la raie appartient à la série de Balmer.

Pourquoi

Nommer la série d'après le niveau d'arrivée et non de départ est le seul point à retenir ici, et il tombe à chaque examen sous une forme ou une autre.

Étape 5

Ionisation depuis $n=1$ : $\Delta E=E_{\infty}-E_{1}=0-(-2{,}18\times 10^{-18})=2{,}18\times 10^{-18}$ J par atome, valeur POSITIVE puisqu'il faut fournir de l'énergie.

Pourquoi

L'ionisation est définie comme le passage au niveau $n=\infty$ , où l'énergie vaut zéro par convention. Ce zéro n'est pas arbitraire ici : c'est lui qui rend toutes les autres énergies négatives.

Étape 6

Par mole : $2{,}18\times 10^{-18}\times 6{,}022\times 10^{23}=1{,}313\times 10^{6}$ J/mol, soit $1313$ kJ/mol.

Pourquoi

Cette valeur est tabulée à $1312$ kJ/mol : la retrouver valide d'un coup la constante utilisée, la conversion par $N_{A}$ et la division par mille.

Étape 7

Longueur d'onde maximale ionisante : $\lambda_{max}=\dfrac{hc}{2{,}18\times 10^{-18}}=9{,}12\times 10^{-8}$ m, soit $91{,}2$ nm.

Pourquoi

Le mot MAXIMALE surprend souvent : plus la longueur d'onde est grande, moins le photon est énergétique, donc c'est bien un maximum de longueur d'onde qui correspond au minimum d'énergie requis.

Étape 8

Vérification : $91{,}2$ nm est très en dessous de $400$ nm, donc dans l'ultraviolet lointain, et l'énergie de ce photon est bien supérieure à celle de la raie rouge, dans un rapport $\dfrac{2{,}18}{0{,}3028}=7{,}2$ .

Pourquoi

Ce rapport contrôle les deux résultats l'un par l'autre. Une raie ionisante moins énergétique qu'une raie visible serait absurde, et cette absurdité se voit sans recalculer.

Conclusion rédigée

« La transition de $n=3$ vers $n=2$ émet un photon de $3{,}03\times 10^{-19}$ J, soit $657$ nm, raie rouge de la série de Balmer; l'ionisation depuis l'état fondamental demande $2{,}18\times 10^{-18}$ J par atome, c'est-à-dire $1313$ kJ/mol, ce qui correspond à un photon d'au plus $91{,}2$ nm. »

L'erreur classique sur cet exercice : Calculer $\lambda$ en laissant $\Delta E$ négatif, ou en laissant $\lambda$ en nanomètres dans $E=\dfrac{hc}{\lambda}$ . Le premier donne une longueur d'onde négative, le second une énergie un milliard de fois trop petite : dans les deux cas, l'ordre de grandeur suffit à repérer l'erreur.

À savoir par cœur

• $l$ va de $0$ à $n-1$ ; $m_{l}$ de $-l$ à $+l$ ; $m_{s}=\pm\tfrac{1}{2}$ . Une couche $n$ porte $2n^{2}$ électrons.
• $E=\dfrac{hc}{\lambda}$ avec $\lambda$ EN MÈTRES : $1$ nm $=10^{-9}$ m.
• $E_{n}=-\dfrac{2{,}18\times 10^{-18}Z^{2}}{n^{2}}$ J. $\Delta E<0$ signifie ÉMISSION, $\Delta E>0$ ABSORPTION.
• Séries nommées d'après le niveau d'ARRIVÉE : Lyman vers $1$ (UV), Balmer vers $2$ (visible), Paschen vers $3$ (IR).
• Effet photoélectrique : $E_{c,max}=h\nu-W_{0}$ ; sous le seuil, l'intensité ne change rien.
• Cations : on retire d'abord les électrons de plus grand $n$ , donc le $4s$ avant le $3d$ .
• Exceptions à savoir : $Cr=[Ar]4s^{1}3d^{5}$ et $Cu=[Ar]4s^{1}3d^{10}$ .
• Cation plus PETIT que l'atome, anion plus GROS. Le saut des ionisations successives donne le GROUPE.

Questions fréquentes

Pourquoi retire-t-on les électrons 4s avant les 3d pour former un ion ?

Parce que l'ordre de remplissage n'est pas l'ordre de vidage. La sous-couche 4s se remplit la première parce qu'elle est alors la moins énergétique, mais une fois la 3d occupée, celle-ci descend en dessous. La couche externe devient donc la quatrième, et ce sont ses électrons qui partent en premier. Le fer deux plus s'écrit ainsi avec seulement des électrons 3d.

Comment savoir à quelle série spectrale appartient une raie ?

On regarde le niveau d'arrivée de la transition, jamais le niveau de départ. Une arrivée sur le premier niveau donne la série de Lyman, dans l'ultraviolet. Une arrivée sur le deuxième donne la série de Balmer, dans le visible. Une arrivée sur le troisième donne la série de Paschen, dans l'infrarouge.

Pourquoi une lumière plus intense n'arrache-t-elle pas plus facilement un électron ?

Parce qu'un électron absorbe un seul photon à la fois. Si ce photon n'a pas assez d'énergie, rien ne se passe, et multiplier le nombre de photons ne change rien à l'énergie de chacun. Seule la fréquence compte pour franchir le seuil. L'intensité augmente ensuite le nombre d'électrons éjectés, jamais leur énergie.

Un ion est-il plus gros ou plus petit que l'atome dont il vient ?

Un cation est plus petit, parce qu'il a perdu des électrons, souvent toute une couche externe, tandis que le nombre de protons n'a pas changé. Un anion est plus gros, parce qu'il a gagné un électron sans gagner de proton : la répulsion entre électrons augmente et le nuage se dilate.

Comment trouver le groupe d'un élément à partir de ses énergies d'ionisation ?

On cherche le saut brutal entre deux ionisations successives. Le nombre d'électrons arrachés avant ce saut est le nombre d'électrons de valence, donc il donne la colonne du tableau périodique. Un saut après la deuxième ionisation signale deux électrons de valence, c'est-à-dire un alcalino-terreux.

Quelles configurations électroniques font exception au cégep ?

Deux seulement sont exigibles : le chrome et le cuivre. Le chrome adopte un électron sur la quatrième couche s et cinq sur la troisième d, plutôt que deux et quatre. Le cuivre adopte un et dix plutôt que deux et neuf. Dans les deux cas, une sous-couche d à demi remplie ou entièrement remplie est plus stable.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Structure atomique et configuration électronique

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

10 exercices corrigés
100 points
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Liaison chimique et géométrie moléculaire

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