ELECTRON DIFFÉRENTIEL: NOMBRES QUANTIQUES ET EXEMPLES - CHIMIE - 2024

L' électron différentiel ou différenciant est le dernier électron placé dans la séquence de la configuration électronique d'un atome. Quel est son nom? Pour répondre à cette question, la structure de base d'un atome est nécessaire: son noyau, le vide et les électrons.

Le noyau est un agrégat dense et compact de particules positives appelées protons et de particules neutres appelées neutrons. Les protons définissent le numéro atomique Z et, avec les neutrons, constituent la masse atomique. Cependant, un atome ne peut porter que des charges positives; donc les électrons gravitent autour du noyau pour le neutraliser.

Ainsi, pour chaque proton qui rejoint le noyau, un nouvel électron rejoint ses orbitales pour contrecarrer la charge positive croissante. De cette manière, l'électron nouvellement ajouté, l'électron différentiel, est étroitement lié au numéro atomique Z.

L'électron différentiel est dans la coque électronique la plus externe: la coque de valence. Par conséquent, plus vous êtes loin du noyau, plus l'énergie qui lui est associée est grande. C'est cette énergie qui est responsable de leur participation, ainsi que celle du reste des électrons de valence, aux réactions chimiques caractéristiques des éléments.

Nombres quantiques

Comme le reste des électrons, l'électron différentiel peut être identifié par ses quatre nombres quantiques. Mais que sont les nombres quantiques? Ce sont "n", "l", "m" et "s".

Le nombre quantique "n" désigne la taille de l'atome et les niveaux d'énergie (K, L, M, N, O, P, Q). «L» est le nombre quantique secondaire ou azimutal, qui indique la forme des orbitales atomiques, et prend les valeurs 0, 1, 2 et 3 pour les orbitales «s», «p», «d» et «f», respectivement.

"M" est le nombre quantique magnétique et indique l'orientation spatiale des orbitales sous un champ magnétique. Ainsi, 0 pour l'orbitale «s»; -1, 0, +1, pour l'orbitale "p"; -2, -1, 0, +1, +2, pour l'orbitale "d"; et -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, pour l'orbitale "f". Enfin, le nombre quantique de spin «s» (+1/2 pour ↑ et -1/2 pour ↓).

Par conséquent, un électron différentiel a associé les nombres quantiques précédents ("n", "l", "m", "s"). Parce qu'il neutralise la nouvelle charge positive générée par le proton supplémentaire, il fournit également le numéro atomique Z de l'élément.

Comment connaître l'électron différentiel?

L'image ci-dessus représente les configurations électroniques d'éléments allant de l'hydrogène au néon gazeux (H → Ne).

En cela, les électrons des coques ouvertes sont indiqués par la couleur rouge, tandis que ceux des coques fermées sont indiqués par la couleur bleue. Les couches font référence au nombre quantique "n", le premier des quatre.

Ainsi, la configuration de valence de H (↑ en rouge) ajoute un autre électron d'orientation opposée pour devenir celle de He (↓ ↑, toutes deux bleues car maintenant le niveau 1 est fermé). Cet électron ajouté est alors l'électron différentiel.

Ainsi, graphiquement, on peut voir comment l'électron différentiel ajoute à la couche de valence (flèches rouges) des éléments, les différenciant les uns des autres. Les électrons remplissent les orbitales en respectant la règle de Hund et le principe d'exclusion de Pauling (parfaitement observé de B à Ne).

Et qu'en est-il des nombres quantiques? Celles-ci définissent chaque flèche - c'est-à-dire chaque électron - et leurs valeurs peuvent être corroborées avec la configuration électronique pour savoir si elles sont ou non celles de l'électron différentiel.

Exemples en plusieurs éléments

Chlore

Dans le cas du chlore (Cl), son numéro atomique Z est égal à 17. La configuration électronique est alors 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵. Les orbitales marquées en rouge correspondent à celles de la coque de valence, qui a un niveau ouvert 3.

L'électron différentiel est le dernier électron à être placé dans la configuration électronique, et l'atome de chlore est celui de l'orbitale 3p, dont la disposition est la suivante:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

En respectant la règle de Hund, les orbitales 3p d'énergie égale sont remplies en premier (une flèche vers le haut dans chaque orbitale). Deuxièmement, les autres électrons se couplent avec les électrons isolés de gauche à droite. L'électron différentiel est représenté dans un cadre vert.

Ainsi, l'électron différentiel du chlore a les nombres quantiques suivants: (3, 1, 0, -1/2). Autrement dit, "n" vaut 3; "L" est 1, orbital "p"; "M" est égal à 0, car il s'agit de l'orbitale médiane "p"; et "s" vaut -1/2, car la flèche pointe vers le bas.

Magnésium

La configuration électronique de l'atome de magnésium est 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ², représentant l'orbitale et son électron de valence de la même manière:

↑ ↓

3 s

0

Cette fois, l'électron différentiel a les nombres quantiques 3, 0, 0, -1/2. La seule différence dans ce cas par rapport au chlore est que le nombre quantique «l» est 0 car l'électron occupe une orbitale «s» (les 3).

Zirconium

La configuration électronique de l'atome de zirconium (métal de transition) est 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ². De la même manière que les cas précédents, la représentation des orbitales et des électrons de valence est la suivante:

Ainsi, les nombres quantiques pour l'électron différentiel marqué en vert sont: 4, 2, -1, +1/2. Ici, puisque l'électron occupe la deuxième orbitale "d", il a un nombre quantique "m" égal à -1. De plus, comme la flèche pointe vers le haut, son numéro de rotation "s" est égal à +1/2.

Élément inconnu

Les nombres quantiques d'électrons différentiels pour un élément inconnu sont 3, 2, +2, -1/2. Quel est le numéro atomique Z de l'élément? Connaissant Z, vous pouvez comprendre ce qu'est l'élément.

Cette fois, puisque "n" est égal à 3, cela signifie que l'élément est dans la troisième période du tableau périodique, avec des orbitales "d" comme coquille de valence ("l" égal à 2). Par conséquent, les orbitales sont représentées comme dans l'exemple précédent:

↑ ↓

Les nombres quantiques «m» égaux à +2 et «s» égaux à -1/2 sont essentiels pour localiser correctement l'électron différentiel dans la dernière orbitale 3d.

Ainsi, l'élément recherché possède des orbitales 3d ¹⁰ complètes, ainsi que ses coques électroniques internes. En conclusion, l'élément est le métal zinc (Zn).

Cependant, les nombres quantiques de l'électron différentiel ne peuvent pas faire la distinction entre le zinc et le cuivre, car ce dernier élément a également des orbitales 3D complètes. Parce que? Car le cuivre est un métal qui ne respecte pas les règles de remplissage des électrons pour des raisons quantiques.

Références

1. Jim Branson. (2013). Règles de Hund. Extrait le 21 avril 2018 de: quantummechanics.ucsd.edu
2. Conférence 27: Les règles de Hund. Extrait le 21 avril 2018 de: ph.qmul.ac.uk
3. Université Purdue. Nombres quantiques et configurations d'électrons. Extrait le 21 avril 2018 de: chemed.chem.purdue.edu
4. Encyclopédie Salvat des Sciences. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​volume 12, Espagne, pages 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Chimie physique. En particules et en vagues. Quatrième édition, Longmans.