Configuration électronique

Dans le modèle de Bohr, les électrons suivaient des orbites exactes autour du noyau, comme les planètes autour du Soleil. Aujourd'hui, le modèle quantique parle d'orbitales. La figure compare les deux modèles.

Expliquer avec ses propres mots ce qu'est une orbitale et en quoi elle diffère d'une orbite du modèle de Bohr.

Chaque orbitale peut accueillir au maximum $2$ électrons. Une sous-couche $s$ possède une seule orbitale et une sous-couche $p$ possède $3$ orbitales, comme le montre la figure.

Calculer combien d'électrons peuvent tenir au maximum dans une sous-couche $s$ et combien dans une sous-couche $p$.

Le diagramme de Klechkowski classe les sous-couches par diagonales, de la plus faible à la plus forte énergie, comme le montre la figure. Les premières étapes sont : $1s$ ; puis $2s$ ; puis la diagonale $2p$-$3s$ ; puis la diagonale $3p$-$4s$ ; et enfin la diagonale $3d$-$4p$-$5s$.

Classer les sous-couches suivantes de la plus faible à la plus forte énergie : $3s$, $4s$, $1s$, $3p$, $2p$, $2s$ et $3d$.

Le potassium ($Z = 19$) des bananes a un électron de plus que l'argon. Selon le diagramme de Klechkowski, lorsque la sous-couche $3p$ est pleine, on commence à remplir la $4s$, qui a une énergie plus faible que la $3d$, comme le montre la figure.

1. a) Écrire la configuration électronique du potassium.
2. b) Indiquer dans quelle sous-couche se trouve son électron de valence.

Pour le potassium ($Z = 19$), un élève écrit la configuration $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 3d^1$ et raisonne qu'« après la sous-couche $3p$ vient la $3d$ ».

1. a) Écrire la configuration correcte en appliquant l'ordre du diagramme de Klechkowski.
2. b) Expliquer quelle erreur l'élève a commise.
3. c) D'après la configuration correcte, combien d'électrons de valence le potassium possède-t-il ?

Le Soleil est constitué surtout d'hydrogène ($Z = 1$) et les ballons qui flottent dans les fêtes foraines sont remplis d'hélium ($Z = 2$). Écrire la configuration électronique de chaque élément et indiquer dans quelle sous-couche se trouvent ses électrons.

Les batteries des téléphones portables contiennent du lithium ($Z = 3$).

1. a) Écrire sa configuration électronique.
2. b) Expliquer pourquoi le troisième électron ne peut pas occuper la sous-couche $1s$.

Une sonde spatiale analyse l'atmosphère d'une planète et y trouve des atomes dont la configuration électronique est $1s^2\ 2s^2\ 2p^4$.

1. a) Combien d'électrons possède chacun de ces atomes ?
2. b) Sachant que, dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au numéro atomique $Z$, de quel élément s'agit-il ?

Un élève écrit dans son cahier que la configuration du sodium ($Z = 11$) est $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^3$. Trouver l'erreur, expliquer pourquoi cette configuration est impossible et écrire la configuration correcte.

Le carbone ($Z = 6$) se trouve dans la mine des crayons, dans le diamant et dans toutes les molécules des êtres vivants.

1. a) Écrire sa configuration électronique.
2. b) Indiquer combien d'électrons de valence (les électrons de sa dernière couche) il possède.

Les lampadaires à lumière orangée de nombreuses autoroutes sont des lampes à vapeur de sodium ($Z = 11$).

1. a) Écrire la configuration électronique du sodium.
2. b) Combien d'électrons de valence possède-t-il ?

Le chlore ($Z = 17$) sert à désinfecter l'eau des piscines.

1. a) Écrire sa configuration électronique.
2. b) Indiquer combien d'électrons de valence il possède et combien lui manquent pour compléter sa dernière couche.

Le calcium ($Z = 20$) est le minéral des os et des récifs coralliens.

1. a) Écrire sa configuration électronique.
2. b) Combien d'électrons de valence possède-t-il ?

Les enseignes lumineuses de nombreux bars et cinémas fonctionnent avec du néon ($Z = 10$).

1. a) Écrire sa configuration électronique.
2. b) Vérifier que sa dernière couche est complète et expliquer pourquoi le néon est un gaz très peu réactif.

Entre les deux vitres de nombreuses fenêtres à double vitrage, on enferme de l'argon ($Z = 18$), un gaz qui ne réagit pratiquement avec rien.

1. a) Écrire sa configuration électronique.
2. b) Expliquer, en observant sa dernière couche, pourquoi l'argon est si peu réactif.

Le sérum physiologique administré dans les hôpitaux contient des ions $\text{Na}^+$.

1. a) Écrire la configuration électronique de l'atome de sodium ($Z = 11$) et celle de l'ion $\text{Na}^+$.
2. b) Avec quel gaz noble la configuration de l'ion coïncide-t-elle ?

Dans le sel de cuisine, le chlore ($Z = 17$) est présent sous forme d'ion chlorure, $\text{Cl}^-$.

1. a) Écrire la configuration électronique de l'ion $\text{Cl}^-$.
2. b) Vérifier qu'elle coïncide avec celle d'un gaz noble et indiquer lequel.

Dans l'électronique des téléphones et des ordinateurs, on utilise une céramique très résistante à la chaleur, le nitrure d'aluminium, formé d'ions $\text{Al}^{3+}$ et d'ions $\text{N}^{3-}$ ($Z$ : Al = 13, N = 7), comme le montre la figure.

1. a) Écrire la configuration électronique de chacun des deux ions.
2. b) Vérifier que les deux ont le même nombre d'électrons (on dit qu'ils sont isoélectroniques).
3. c) Expliquer pourquoi, avec les mêmes électrons, l'un a pour charge $3+$ et l'autre $3-$ (penser aux protons de chaque noyau).

La configuration électronique d'un élément se termine par $3p^5$.

1. a) Écrire sa configuration complète et en déduire son numéro atomique.
2. b) Combien d'électrons lui manquent pour compléter la couche $3$ (y compris ses orbitales $3d$) ?
3. c) Prévoir l'ion le plus probable que formera cet élément et écrire la configuration de cet ion.

Certains antiacides vendus en pharmacie contiennent de l'oxyde de magnésium, $\text{MgO}$, formé d'ions $\text{Mg}^{2+}$ et d'ions $\text{O}^{2-}$ ($Z$ : Mg = 12, O = 8).

1. a) Écrire la configuration électronique de chaque ion.
2. b) Vérifier que les deux ions ont le même nombre d'électrons.
3. c) À partir des configurations des atomes neutres, expliquer pourquoi le magnésium « a intérêt » à perdre $2$ électrons et l'oxygène à en gagner $2$.

Pour faire fondre le verglas sur les routes en hiver, on emploie du chlorure de magnésium, $\text{MgCl}_2$ ($Z$ : Mg = 12, Cl = 17).

1. a) Écrire les configurations électroniques des deux atomes et de leurs ions $\text{Mg}^{2+}$ et $\text{Cl}^-$.
2. b) Justifier, à partir des charges des ions, pourquoi la formule du composé est $\text{MgCl}_2$ et non $\text{MgCl}$.

Dans les vidéos de laboratoire, on observe que le sodium ($Z = 11$) et le potassium ($Z = 19$) réagissent avec l'eau de façon très semblable, en dégageant une flamme.

1. a) Écrire les configurations électroniques des deux éléments.
2. b) Indiquer ce que leurs couches de valence ont en commun.
3. c) Utiliser cette ressemblance pour expliquer pourquoi les deux éléments ont un comportement chimique aussi similaire.

Un ion $\text{X}^{2+}$ a pour configuration électronique $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$.

1. a) Calculer combien d'électrons possède l'ion et en déduire le numéro atomique de l'élément X.
2. b) Un ion $\text{Y}^{-}$ a exactement la même configuration : en déduire aussi son numéro atomique.
3. c) À l'aide du tableau périodique, nommer les éléments X et Y.

Les boissons isotoniques pour sportifs contiennent, entre autres, des ions $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$ et $\text{Mg}^{2+}$ ($Z$ : K = 19, Ca = 20, Mg = 12).

1. a) Écrire la configuration électronique de chacun des trois ions.
2. b) Qu'ont en commun les trois configurations ?
3. c) Expliquer, à partir de ce point commun, pourquoi ces trois éléments forment si facilement des ions positifs.