Pourquoi la configuration électronique ?
Les électrons d'un atome ne se placent pas au hasard autour du noyau. Ils occupent des niveaux d'énergie (ou couches) et des sous-couches (s, p, d, f) selon des règles précises. Connaître la configuration électronique d'un élément permet de prévoir ses propriétés chimiques, sa valence et sa place dans le tableau périodique.
Les trois règles de remplissage
Règle de Klechkowski (ou règle (n + l)) : on remplit les sous-couches par ordre croissant de la somme (n + l), puis, en cas d'égalité, par ordre croissant de n. Cela donne la séquence :
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → …
Règle de Pauli : une orbitale ne peut contenir que deux électrons au maximum, et ils doivent avoir des spins opposés (↑↓). Une sous-couche s contient au plus 2 électrons, une sous-couche p au plus 6, une sous-couche d au plus 10.
Règle de Hund : à énergie égale (même sous-couche), les électrons occupent en priorité les orbitales vacantes, un par un, avec des spins parallèles, avant de se mettre en paire.
Notation abrégée avec gaz noble
Pour les éléments lourds, on utilise la configuration du gaz noble précédent entre crochets. Exemples :
| Élément | Z | Configuration complète | Notation abrégée |
|---|---|---|---|
| Fer (Fe) | 26 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ | [Ar] 4s² 3d⁶ |
| Zinc (Zn) | 30 | … 4s² 3d¹⁰ | [Ar] 4s² 3d¹⁰ |
| Cuivre (Cu) | 29 | … | [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ |
Le cuivre est un cas particulier : la configuration attendue [Ar] 4s² 3d⁹ est énergétiquement moins stable qu'[Ar] 4s¹ 3d¹⁰. Une sous-couche d complète (ou à moitié pleine) confère une stabilité supplémentaire. Le chrome (Z = 24) présente le même phénomène : [Ar] 4s¹ 3d⁵.
Électrons de valence
Les électrons de valence sont ceux de la couche externe (indice n le plus élevé) et, pour les métaux de transition, aussi ceux de la sous-couche d incomplète. Ce sont eux qui participent aux liaisons chimiques.
- Éléments du bloc s ou p : électrons de valence = électrons de la dernière période.
- Métaux de transition (bloc d) : électrons (n)s + (n−1)d non saturés.
Ainsi, le fer [Ar] 4s² 3d⁶ possède 8 électrons de valence (2 + 6), ce qui explique ses degrés d'oxydation fréquents de +2 et +3.
Cas des ions
Lorsqu'un atome perd des électrons pour former un cation, les électrons de valence partent d'abord de la sous-couche s (la dernière remplie). Fe → Fe²⁺ : on retire les deux électrons 4s pour obtenir [Ar] 3d⁶. Ce comportement contre-intuitif (on retire les 4s avant les 3d) est confirmé expérimentalement par spectroscopie.
