Chimie · chapitre 2

Le modèle quantique en P1 : nombres quantiques et configuration électronique

Ce chapitre commence par démolir le précédent. Le modèle de Bohr fonctionnait pour l'hydrogène et échouait ailleurs : il fallait autre chose. L'électron n'est plus une bille sur une orbite, c'est une onde, et on ne peut plus parler que de probabilité de présence dans un volume, l'orbitale.

Deux principes portent tout le raisonnement. De Broglie explique pourquoi les niveaux sont entiers : une onde qui doit se refermer sur elle-même n'admet pas de valeur intermédiaire. Heisenberg pose une limite : position et vitesse ne peuvent pas être connues précisément en même temps.

La seconde moitié est beaucoup plus mécanique, et c'est celle qui rapporte le plus de points. Quatre nombres quantiques donnent l'adresse complète d'un électron, et trois règles — Klechkowski, Pauli, Hund — suffisent à écrire n'importe quelle configuration électronique. Y compris les exceptions, qui sont peu nombreuses et systématiquement demandées.

Les 28 notions de ce chapitre

Voici le découpage que nous utilisons pour ce chapitre. Chaque notion tient dans une fiche courte, travaillée dans le Parcours de l'app, à raison de deux par jour.

  1. Pourquoi le modèle de Bohr s'effondre
  2. Orbite ou orbitale : le changement de vision
  3. De Broglie : l'électron est aussi une onde
  4. Pourquoi une onde impose n = 1, 2, 3 et jamais 1,5
  5. La preuve : la diffraction des électrons (1927)
  6. λ = h/(m×v) : la formule et son ordre de grandeur
  7. Les deux λ à ne pas confondre, et le calcul
  8. Heisenberg : position ou vitesse, il faut choisir
  9. Δx × Δv ≥ h/(2π×m) : la formule et ses conséquences
  10. L'équation de Schrödinger Ĥψ = Eψ
  11. ψ, |ψ|² et la probabilité de présence
  12. L'orbitale atomique et ses formes s, p, d, f
  13. Les surfaces nodales
  14. Les 4 nombres quantiques : l'adresse complète d'un électron
  15. n, le nombre quantique principal
  16. l, le nombre quantique azimutal
  17. mₗ, le nombre quantique magnétique
  18. Le spin, quatrième nombre quantique
  19. Compter les orbitales et les électrons d'une couche
  20. Klechkowski : l'ordre de remplissage
  21. Pauli : la capacité maximale
  22. Hund : la répartition dans une sous-couche
  23. Fondamental, excité ou interdit : l'arbre de décision
  24. Écrire une configuration électronique pas à pas
  25. Exploiter une configuration : compter les électrons par mₗ
  26. Cœur, valence et notation abrégée [Ar]
  27. Les exceptions à Klechkowski : d⁵ et d¹⁰
  28. L'ordre d'ionisation : 4s se vide avant 3d

Testez-vous : 4 QCM corrigés

Au format de la première année : plusieurs propositions, chacune vraie ou fausse indépendamment. Répondez d'abord, ouvrez la correction ensuite.

Question 1

Parmi les propositions suivantes relatives au domaine de validité du modèle de Bohr, laquelle (lesquelles) est (sont) exacte(s) ?

  • Le modèle de Bohr fonctionne parfaitement pour l'atome d'hydrogène.
  • Il fonctionne aussi pour les hydrogénoïdes, comme He⁺ ou Li²⁺, qui ne possèdent qu'un seul électron.
  • Le modèle de Bohr décrit correctement les atomes possédant deux électrons ou plus.
  • Les atomes pour lesquels le modèle de Bohr fonctionne représentent l'immense majorité du tableau périodique.
  • Le carbone possède 6 électrons, l'oxygène 8 et le fer 26.
Voir la correction

  • A. Vrai

    VRAI. Sur l'hydrogène, le modèle tombe juste : c'est justement le seul terrain où il donne pleinement satisfaction.

  • B. Vrai

    VRAI. Les hydrogénoïdes n'ont, comme l'hydrogène, qu'un seul électron : le modèle marche donc aussi pour eux.

  • C. Faux

    FAUX : il suffit d'un deuxième électron pour que le modèle s'écroule. Tous les atomes à deux électrons ou plus lui échappent.

  • D. Faux

    FAUX : c'est exactement l'inverse. Les atomes à un seul électron sont une poignée ; le cas où Bohr marche est l'exception.

  • E. Vrai

    VRAI. Ces trois exemples montrent bien que la quasi-totalité des atomes possèdent plusieurs électrons.

Question 2

Parmi les propositions suivantes relatives à l'énoncé du principe d'incertitude de Heisenberg, laquelle (lesquelles) est (sont) exacte(s) ?

  • Le principe d'incertitude de Heisenberg date de 1927.
  • À l'échelle quantique, on ne peut pas connaître position et vitesse en même temps avec précision.
  • Le principe de Heisenberg est le premier des deux principes fondateurs de la mécanique quantique.
  • Si la vitesse est connue précisément, la position devient floue.
  • Une position précise s'accompagne d'une vitesse elle aussi précise.
Voir la correction

  • A. Vrai

    VRAI. C'est la date à retenir pour ce second principe fondateur de la mécanique quantique.

  • B. Vrai

    VRAI. Les deux grandeurs ne peuvent pas être connues précisément ensemble : gagner sur l'une, c'est perdre sur l'autre.

  • C. Faux

    FAUX : le premier est celui de De Broglie, la dualité onde-corpuscule. Heisenberg vient en second.

  • D. Vrai

    VRAI. Un Δv petit s'accompagne toujours d'un Δx grand : c'est le marchandage imposé par le principe.

  • E. Faux

    FAUX : une position précise se paie d'une vitesse floue. On ne peut pas avoir les deux à la fois.

Question 3

Parmi les propositions suivantes relatives aux endroits où le nombre quantique principal a déjà été rencontré, laquelle (lesquelles) est (sont) exacte(s) ?

  • n est le n du modèle de Bohr, celui de la relation Eₙ = −13,6/n².
  • n est le chiffre que l'on écrit devant la lettre d'une orbitale.
  • n donne le nombre total de surfaces nodales d'une orbitale, égal à n − 1.
  • Ce que n dit de la capacité d'une couche avait déjà été établi au chapitre 1.
  • Dans l'analogie de l'immeuble, monter d'un étage revient à changer de sous-couche.
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  • A. Vrai

    VRAI. C'est le même nombre depuis le début : celui qui numérote les niveaux d'énergie du modèle de Bohr.

  • B. Vrai

    VRAI. Dans 2p ou 3d, le chiffre placé devant la lettre, c'est n.

  • C. Vrai

    VRAI. Le total des surfaces nodales ne dépend que de lui, et vaut n − 1.

  • D. Faux

    FAUX : c'est justement ce qui manquait. La capacité d'une couche est l'apport nouveau attaché à ce nombre.

  • E. Faux

    FAUX : monter d'un étage, c'est changer de couche. La sous-couche relève du deuxième nombre quantique.

Question 4

Parmi les propositions suivantes relatives au remplissage électronique de l'atome d'azote, laquelle (lesquelles) est (sont) exacte(s) ?

  • L'azote a Z = 7, donc 7 électrons à placer.
  • Le remplissage se fait dans l'ordre de Klechkowski, soit 1s, puis 2s, puis 2p.
  • Une fois les sous-couches 1s et 2s remplies, il reste 3 électrons à placer.
  • La sous-couche 2p ne peut contenir que 3 électrons au maximum.
  • L'azote possède 5 protons.
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  • A. Vrai

    VRAI. Z = 7 donne 7 protons, et donc 7 électrons dans l'atome neutre.

  • B. Vrai

    VRAI. On reprend la file d'attente des sous-couches, et on y verse les électrons un groupe après l'autre.

  • C. Vrai

    VRAI. Deux électrons dans 1s, deux dans 2s : sur les sept, il en reste trois pour la sous-couche 2p.

  • D. Faux

    FAUX : elle peut en contenir 6, soit 3 orbitales à 2 électrons chacune. L'azote n'en apporte que trois, mais la place est bien de six.

  • E. Faux

    FAUX : il en possède 7, puisque Z = 7. Le numéro atomique donne directement le nombre de protons.

Ces questions sont un extrait. La banque complète, chapitre par chapitre, se travaille dans l'Arène de l'app, après la séance du jour.

La suite, dans l'app

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Vous avez la carte de ce chapitre. Les notions, elles, se travaillent une par une. Le Parcours de l'app Medeos propose deux fiches par jour, dans l'ordre du programme de première année (anatomie, biologie, chimie, physique), puis des QCM pour vérifier. Gratuit, sans carte bancaire.

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