corrigé exercice 5 - chimie - pcsi · il est donc fréquent que l’on pose des questions sur ces...
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Atomesetmolécules Exercice5 Page1sur3
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Corrigé exercice 5 CONFIGURATIONSÉLECTRONIQUES
1) Uneconfigurationélectroniqueestimpossibledanslesdeuxcassuivants:
- violationduprincipedePauli(plusdedeuxélectronsparorbitale) casf):l’OA2𝑠nepeutpascontenir3électrons;
- interventiond’orbitalesquin’existentpas casc):l’OA3𝑓n’existepascarℓ = 3(OAdetype𝑓)estimpossibleauniveau3puisque 0 ≤ ℓ ≤ 𝑛 − 1.
LesrèglesdeKlechkowskietdeHundpermettentdetrouverlaconfigurationélectroniqued’unatomedanssonétatfondamental:casb).
Sionrépartitlesélectronssansrespectercesdeuxdernièresrègles,onobtientuneconfigurationélectroniqueexcitée(moinsstablequel’étatfondamental):casa),d)ete).Dansa)etd),l’OA1𝑠n’estpascomplètealorsqu’ilyadesélectronsdanslesOAsuivantes.Danse),onarempli3𝑑avant4𝑠.
Important:L’ordredanslequelonécritlesOAdanslaconfigurationélectroniquen’apasd’importance.Onpeutécrireuneconfigurationélectronique:
dansl’ordrederemplissage(deKlechkowski):1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!;dansl’ordrecroissantdel’énergiedesOA:1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!3𝑑!4𝑠!.
Lapremièreécritureestpréférablelorsqu’ils’agitdedéterminerlapositiondel’élémentdansletableaupériodique.Lasecondeestmeilleurequandons’intéresseàl’énergieorbitalaire,notammentpourprocéderàuneionisation.
2) Configurationélectroniquedesatomesdansleurétatfondamental:
P!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝! ;
V!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑! ;
I!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!"5𝑝! ;
Sm!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!"5𝑝!6𝑠!4𝑓! ;
Hg!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!"5𝑝!6𝑠!4𝑓!"5𝑑!"
Rappel:Sil’énoncéledemande(cequin’étaitpaslecasici),vousdevezêtrecapabled’énoncerlesrèglespermettantd’établirlesconfigurationsélectroniques,ainsiquelenomduphysicienassocié(principedePaulietrègledeKlechkowski).
Ondéterminelenombred’électronscélibatairesenappliquantlarègledeHundpourladernièreorbitaleremplie:
P!" :Ilyatroisorbitales3𝑝,donclestroisélectronsde3𝑝!occupentchacuned’ellesàspinsparallèles.Lephosphoreatroisélectronscélibataires.
V!" :Ilyacinqorbitales3𝑑,donclestroisélectronsde3𝑑!seplacentàspinsparallèles.Levanadiuma3électronscélibataires.
I!" :Leremplissagede3orbitales5𝑝par5électronsconduitnécessairementà2pairesetàununiqueélectroncélibataire.
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Sm!" :Ilyaseptorbitales4𝑓,donclessixélectronsde4𝑓!seplacentàspinsparallèles.Lesamariuma6électronscélibataires.
Hg!" :TouteslesOAsontpleines,c’est-à-direcontiennentdesélectronsappariés.Lemercuren’aaucunélectroncélibataire.
3) Configurationélectroniquedesatomesdansleurétatfondamental:
a)EnappliquantstrictementlarègledeKlechkowski,lesconfigurationsélectroniquesdevraientêtre:
Cr!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!Mo!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!Cu!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!Ag!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!Au!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!"5𝑝!6𝑠!4𝑓!"5𝑑!
LorsquelesOAsontcomplètes,lesélectronssontappariés.LesélectronscélibatairessetrouventdoncnécessairementdansdesOAnoncomplètes,quisont,pourlescinqatomesconsidérésici,desOAdetype𝑑.OnappliquedonclarègledeHund,quistipulequelesélectronspossèdentdematièreprivilégiéedesspinsparallèles(mêmevaleurde𝑚!).
PourCretMo,onprévoituneconfigurationseterminantpar𝑛𝑠! 𝑛 − 1 𝑑!.Commeilyatoujours5OAdetype𝑑disponibles,lesélectronssonttousàspinsparallèlesetilya4électronscélibataires:
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PourCu,AgetAu,onprévoituneconfigurationen𝑛𝑠! 𝑛 − 1 𝑑!.Ilmanque1électronpourremplirles5OAdetype𝑑,ilyadoncunseulélectroncélibataire:
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Conclusion:
Parapplicationdesrèglesusuelles,CretModevraientavoir4électronscélibataires,Cu,AgetAuunseul,ettoussontdansdesOAdetype𝑑,doncavecℓ = 2.
b)PourCretMo,onconstatequ’ilyaenréalité6électronscélibataires.L’OA𝑛𝑠étanttrèsprocheenénergiede 𝑛 − 1 𝑑,onconstatequ’enalignantlesspinsdanscesdeuxtypesd’OAcommesiellesétaientdégénérées,onobtientbien6électronscélibataires:
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Lesconfigurationsélectroniquescorrectessontdonc:
Cr!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!Mo!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!
Pourlestroisautres,ilyabienunélectroncélibataire,maisquipossèdeunnombrequantiqueℓ = 0,setrouvantdoncdansuneOAdetype𝑠.L’électroncélibatairesetrouvedoncenréalitédansl’OA𝑛𝑠etnonpasdansl’OA 𝑛 − 1 𝑑,quisetrouveêtrecomplète:
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Lesconfigurationsélectroniquescorrectessontdonc:
Cu!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"Ag!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!"Au!" :1𝑠!2𝑠!2𝑝!3𝑠!3𝑝!4𝑠!3𝑑!"4𝑝!5𝑠!4𝑑!"5𝑝!6𝑠!4𝑓!"5𝑑!"
N.B.Cesexceptionsconcernentdesélémentsassezcourants.Ilestdoncfréquentquel’onposedesquestionssurcescasdanslessujetsdeconcours,bienquelaconnaissancedecesexceptionsnesoitpasexigible.Parfois,ondemandede«justifier»cesexceptions.Vouspourrezrencontrerdesjustificationsbaséessurla«stabilitéparticulièredescouchesrempliesoudemi-remplies».Ceciesttoutauplusunmoyenmnémotechniquemaisn’estpasunejustificationsatisfaisante.Lajustificationdescesexceptionsestenréalitébienpluscomplexeetnécessitedescalculsdechimiequantiquetrèspoussés.Cequel’onpeutdire,toutdemême,c’estquel’undesfacteursfavorablesàl’exceptionduchromeetdumolybdèneestqu’ellepermetd’éviterl’appariementdesélectrons,défavorableénergétiquementcommelerésumelarègledeHund.