Comment écrire des configurations électroniques, pas à pas

Ce que signifie la notation

Chaque partie d’une configuration comporte trois éléments. Dans 2p⁴, le 2 est la couche (le niveau d’énergie principal), la lettre p est le type de sous-couche, et l’exposant 4 est le nombre d’électrons dans cette sous-couche. Les exposants s’additionnent toujours pour donner le nombre total d’électrons, qui pour un atome neutre est égal au numéro atomique.

Il existe quatre types de sous-couches, chacune de capacité fixe : s contient 2 électrons (1 orbitale), p en contient 6 (3 orbitales), d en contient 10 (5 orbitales) et f en contient 14 (7 orbitales). Chaque orbitale contient au plus 2 électrons.

L’ordre de Aufbau

Les électrons remplissent d’abord les sous-couches de plus basse énergie. C’est le principe d’Aufbau, du mot allemand signifiant « construction progressive ». L’ordre de remplissage est 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.

Remarquez que 4s se remplit avant 3d, et 6s avant 4f. La règle n + l l’explique : additionnez le numéro de couche n et l (0 pour s, 1 pour p, 2 pour d, 3 pour f) et remplissez du total le plus bas au plus haut ; en cas d’égalité, le plus petit n se remplit en premier. Beaucoup d’élèves dessinent plutôt un diagramme diagonal des sous-couches et suivent les flèches.

Le tableau périodique montre le même ordre : le long d’une période, vous traversez le bloc s (groupes 1–2), le bloc d (groupes 3–12, une couche plus bas) et le bloc p (groupes 13–18), le bloc f (deux couches plus bas) s’insérant dans les périodes 6 et 7.

Exemple résolu : l’oxygène

L’oxygène a pour numéro atomique 8 : il y a donc 8 électrons à placer. Mettez-en 2 dans 1s (il en reste 6), puis 2 dans 2s (il en reste 4), puis les 4 derniers dans 2p, qui pourrait en contenir jusqu’à 6. Le résultat est 1s² 2s² 2p⁴. Vérification : 2 + 2 + 4 = 8.

La couche la plus élevée est la 2, avec 2 + 4 = 6 électrons : l’oxygène a donc 6 électrons de valence. Dans la sous-couche 2p, la règle de Hund dit que les électrons occupent d’abord seuls les trois orbitales p avant de s’apparier ; un atome d’oxygène a donc deux électrons célibataires.

Exemple résolu : le fer

Le fer a pour numéro atomique 26 : il a donc 26 électrons. Remplissez dans l’ordre de Aufbau : 1s² (2 placés), 2s² (4), 2p⁶ (10), 3s² (12), 3p⁶ (18), 4s² (20), et les 6 restants vont dans 3d. La configuration complète est 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

De nombreux manuels, et ce site, énumèrent plutôt les sous-couches par numéro de couche : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Les deux décrivent le même atome. Lorsque le fer forme des ions, il perd d’abord ses électrons 4s : Fe²⁺ est donc [Ar] 3d⁶ et Fe³⁺ est [Ar] 3d⁵.

Notation abrégée avec un gaz noble

Écrire chaque sous-couche devient long pour les atomes lourds ; les chimistes remplacent donc les électrons internes par le symbole du gaz noble précédent entre crochets. [He] représente 1s², [Ne] représente 1s² 2s² 2p⁶ et [Ar] représente 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Les cœurs plus lourds sont [Kr] (36 électrons), [Xe] (54) et [Rn] (86).

Pour l’utiliser, écrivez le gaz noble précédent entre crochets et ajoutez seulement les électrons qui viennent après. L’oxygène devient [He] 2s² 2p⁴, le sodium devient [Ne] 3s¹ et le fer devient [Ar] 3d⁶ 4s².

Exceptions : le chrome et le cuivre

Quelques éléments ne suivent pas exactement l’ordre de Aufbau. Le chrome (24 électrons) devrait être [Ar] 3d⁴ 4s², mais sa configuration réelle est [Ar] 3d⁵ 4s¹. Le cuivre (29 électrons) devrait être [Ar] 3d⁹ 4s², mais il est en réalité [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.

Dans les deux cas, un électron 4s passe dans 3d. Les sous-couches 4s et 3d sont très proches en énergie, et une sous-couche d à moitié remplie (d⁵) ou entièrement remplie (d¹⁰) est particulièrement stable. Certains éléments plus lourds se comportent de la même façon : le molybdène est [Kr] 4d⁵ 5s¹, l’argent est [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ et l’or est [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Environ 20 éléments des blocs d et f ont des configurations irrégulières ; consultez donc un tableau fiable pour les éléments plus lourds.