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Sauter à un chapitre clé
- Dans cet article, tu seras guidé dans la définition de l'état fondamental del'atome .
- Tu verras comment il peut être appliqué à de nombreux contextes atomiques différents.
- Tu apprendras également la différence entre l' état fondamental et l'état excité des atomes dans le contexte de laconfiguration électronique .
Définition de l'état fondamental Chimie
Qu'entend-on par"état fondamental" d'un atome ?
La définition la plus simple de l'état fondamental d'un atome se réfère à :
État fondamental (d'un atome) : le niveau d'énergie le plus bas possible de l'atome en question.
Pour donner une définition plus large, on peut dire que l'état fondamental est l'état dans lequel se trouvent les atomes s'ils ne sont pas chargés ou excités par des sources extérieures. Ces sources d'excitation peuvent être la lumière (comme les photons) ou toute autre longueur d'onde du spectre électromagnétique.
Lorsque des quantités discrètes d'énergie, telles que des quanta, excitent l'atome, cela déclenche certains réarrangements subatomiques et un changement de la configuration électronique. Mais dans ce cas, l'état fondamental fait référence à l'état dans lequel ce processus ne se produit pas et se concentre sur l'atome dans son état habituel "non chargé".
Que signifie donc l'état fondamental en termes d'électrons au sein d'un atome ? En fait, lorsqu'on parle de l'état fondamental d'un atome, il s'agit de la configuration électronique et des états énergétiques des électrons présents dans l'atome.
Ici, l'état énergétique des électrons fait référence aux niveaux d' énergie des électrons qui peuvent être soit excités (si l'excitation se produit à partir d'une source externe), soit non excités, ce que nous appelons l'état fondamental.
Cela signifie qu'à l'état fondamental, l'atome n'est pas excité et par conséquent aucun des électrons n'est excité. Les électrons sont dans leur état d'énergie le plus bas possible. Dans l'état fondamental, tous les électrons s'alignent de manière à se trouver à l'énergie la plus basse possible de leur position individuelle dans l'atome, ainsi que de l'ensemble du système.
Il existe un certain nombre de facteurs qui déterminent le positionnement de l'électron dans un atome, que nous aborderons dans la section suivante. Cependant, il est essentiel de se rappeler que les électrons peuvent occuper différents états au sein d'un atome. L'état fondamental fait toujours référence à l'état dans lequel les électrons se trouvent dans leur configuration d'énergie la plus basse possible au sein de l'atome.
Configuration électronique de l'état fondamental
Comment pouvons-nous visualiser les configurations électroniques de l'état fondamental ?
Nous pouvons utiliser lesdiagrammes de configuration électronique , tels que les diagrammes en flèche et les diagrammes en boîte. Ici, nous allons explorer ce qu'ils sont et comment ils peuvent être utilisés pour représenter les atomes dans l'état fondamental. Comme la définition de l'état fondamental des atomes fait référence à leurs niveaux d'énergie électronique, leur représentation nous aidera à comprendre le fonctionnement interne de l'atome.
Tu trouveras ci-dessous un diagramme des orbitales électroniques vides.
Fig. 1 - Orbitales électroniques vides
Mais comment les électrons remplissent-ils ces orbites?
Il existe trois séries de règles auxquelles tu dois penser lorsque tu envisages de tels problèmes : le principe d'Aufbau, le principe d'exclusion de Pauli et la règle de Hund. Tu trouveras ici des résumés de ce qu'elles signifient.
- Principe d'Aufbau: les électrons auront toujours tendance à remplir l'état d'énergie le plus bas possible (orbitale) avant d'aller sur les orbitales suivantes d'énergie plus élevée.
- Principe d'exclusion de Pauli: il ne peut y avoir plus de deux électrons par orbitale, chacun ayant un état de spin opposé.
- Règle de Hund: les électrons remplissent les sous-niveaux individuellement, ce qui signifie que s'il y a d'autres "boîtes" dans la même orbitale énergétique, les électrons rempliront toutes les boîtes individuellement avant de commencer à s'apparier.
Quel est le lien avec la notion d'état fondamental? Tu peux regarder comment les électrons s'alignent de préférence dans un atome à l'état fondamental. Ici, la façon dont les atomes se remplissent naturellement dans un atome sera l'état fondamental.
Cela peut être utile pour déterminer les configurations électroniques de l'état fondamental de n'importe quel atome, puisque si tu appliques les trois règles susmentionnées, tu détermineras l'état fondamental de l'élément en question. Cela est dû au fait que lorsque les atomes sont dans un état excité (que nous aborderons bientôt), l'arrangement électronique change et s'écarte des règles canoniques d'Aufbau, de Pauli et de Hund. D'un autre côté, nous pouvons voir comment l'application de ces règles nous donnera les configurations de l'état fondamental des électrons dans un atome donné, car cela suggérera la façon dont les électrons se disposeraient s'il n'y avait pas de source externe d'énergie appliquée ou tout autre type de déviation possible. Il en résulterait la configuration des niveaux d'énergie les plus bas possibles, d'où la configuration de l'état fondamental.
État fondamental des atomes
Tu peux maintenant appliquer la définition susmentionnée de l'état fondamental ainsi que les théories sur la configuration électronique aux modèles atomiques. Comme indiqué ci-dessus, tu peux construire des diagrammes électroniques correspondant à l'état fondamental. Au bas de cet article, tu trouveras des exemples de l'état fondamental.
Une distinction cruciale à faire concernant l'état fondamental, en particulier lorsqu'il s'agit de diagrammes de configuration, est la distinction entre une coquille électronique et une orbitale électronique. Lorsque l'on aborde les notions théoriques d'état fondamental et d'état excité, il est question d'électrons qui gagnent de l'énergie (généralement à partir d'une source d'énergie externe telle que la lumière ou une autre longueur d'onde du spectre électromagnétique ). Le gain d'énergie sera corrélé avec le passage de l'électron à des états d'énergie plus élevés et, dans ces contextes, les deux zones spécifiées seront soit un niveau d' énergie plus élevé (coquille), soit une orbitale d'énergie plus élevée.
Quelle est donc la différence ? Dans ces contextes, tu dois imaginer que les concepts de coquille d'énergie et d'orbitale sont interchangeables. Il s'agit simplement de signifier la même définition : un électron se déplace vers un état d'énergie plus élevé, créant ainsi un état excité.
Jette un coup d'œil au diagramme pour comprendre comment un électron monte en énergie. Cette distinction est à l'origine de la différence entre l'état fondamental et l'état excité des atomes.
Fig. 2 - Un atome à l'état fondamental excité par un photon. L'électron passe alors à une couche d'énergie supérieure
En général, l'état exc ité des atomes est représenté par un astérisque. Tu trouveras ci-dessous un exemple :
A (état fondamental)
A* (état excité)
A + énergie = A*
A* = A + énergie
Ainsi, tu peux supposer que les molécules ou les atomes sont uniquement dans leur état excité s'il y a un astérisque à côté d'eux. Cela t'aidera à identifier les états fondamentaux des atomes dans les équations.
Configuration électronique de l'état fondamental et de l'état excité
Jette un coup d'œil aux deux configurations électroniques ci-dessous. Dans cet exemple, l'élément modèle est le carbone.
Fig. 3 - Diagramme de configuration électronique du carbone à l'état fondamental et à l'état excité
As-tu remarqué des différences entre eux ? Tu peux dire que l'un d'entre eux respecte clairement les trois règles que nous avons énoncées précédemment. Pour rappel, il s'agit du principe d'Aufbau, du principe d'exclusion de Pauli et de la règle de Hund.
Le schéma ci-dessus illustrant l'état fondamental représente les électrons qui se disposent selon ces trois principes clés. En quoi cela diffère-t-il à l'état excité ? En particulier, tu peux voir comment un électron de l'orbitale 2s se déplace vers l'orbitale 2p. Comme tu peux le constater, il y a un "trou" dans l'orbitale 2s, ce qui signifie que les électrons n'occupent pas les états d'énergie les plus bas. Nous appellerions cela l'état excité, car l'un des électrons a suffisamment d'énergie pour monter d'un niveau d'énergie, dans ce cas dans l'orbitale 2p.
De la même façon qu'il a gagné de l'énergie pour monter vers un état excité, l'électron peut réémettre l'énergie et redescendre au niveau d'énergie qu'il occupait auparavant : l'état fondamental.
Fig. 4 - Passage d'un état excité à l'état fondamental d'un atome
Pour rappel, tu verras ci-dessous comment l'arrangement électronique est représenté dans les diagrammes en boîte et en flèche selon les niveaux d'énergie ascendants. Tu peux t'en servir pour connaître l'arrangement des particules subatomiques et surtout pour savoir si l'élément en question est dans son état fondamental.
Remarque que le diagramme ci-dessous ne montre que l'arrangement électronique jusqu'à l'orbitale 4p. Il existe pourtant des éléments qui vont bien au-delà, mais il n'y a pas lieu de s'en préoccuper.
Fig. 5 - Principe d'Aufbau pour la configuration des électrons
Exemples d'état fondamental
Tu trouveras ici un grand nombre d'exemples de configuration électronique de l'état fondamental . Jette un coup d'œil à la figure ci-dessous, qui représente la configuration électronique des atomes du bore à l'oxygène.
Fig. 6 - Configuration électronique représentant l'état fondamental des éléments B, C, N, O
Que peux-tu observer dans le diagramme ci-dessus ? Tu peux voir que le numéro atomique des éléments cités dans l'exemple augmente de 1, et donc que leur nombre d'électrons augmente de 1.
En pensant à l'augmentation progressive des électrons, regarde ce qu'il advient de la configuration électronique des éléments, et surtout, comment elle change d'un atome à l'autre. Tu observeras ainsi des tendances et tu verras comment la règle de Hund joue un rôle dans la configuration électronique. Tout cela montre finalement que l'état fondamental des atomes est un processus qui s'apparente à un modèle et qui ne dévie pas d'un atome à l'autre. À l'aide de ces exemples, tu peux prédire n'importe quelle configuration électronique des atomes en question et déterminer s'ils sont dans leur état fondamental ou excité.
État fondamental - Points clés
- L'état fondamental d'un atome correspond à un état non excité.
- L'excitation se produit lorsqu'un électron se déplace vers le haut dans les états d'énergie.
- Tu peux déterminer l'état d'un atome grâce à sa configuration électronique.
- L'état électronique des atomes peut être déterminé par le :
- le principe d'Aufbau
- le principe d'exclusion de Pauli
- Règle de Hund
- La configuration électronique présente une périodicité, comme le montrent les exemples d'états fondamentaux atomiques.
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