III.3. La troisième période.

Retour au plan du cours sur la classification périodique.

On entame ici le remplissage de la couche L, c' est à dire lorsque n est égal à 3.

III.3.1. L' élément sodium. Symbole Na. Z = 11.
Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)¹.

On va mettre un onzième électron sur la couche n = 3, avec l = 0, puisqu' on remplit toujours les orbitales dans le sens des valeurs croissantes de l. On aura affaire à une orbitale de type s, ce sera l' orbitale 3s.
 

Orbitale 1s		Orbitale 2s		Orbitale 2px	Orbitale 2py	Orbitale 2pz		Orbitale 3s
n = 1; l = 0; m = 0.		n = 2; l = 0; m = 0.		n = 2; l = 1; m = - 1.	n = 2; l = 1; m = 0.	n =2; l = 1; m = + 1.		n = 3; l = 0; m = 0.

Dorénavant, on simplifiera la représentation des cases quantiques: on ne figurera que la couche externe, celle qui a le nombre quantique n  le plus élevé, voire l' avant-dernière couche, de nombre quantique n -1, en compagnie de la dernière couche, de nombre quantique n.

Ici, vu que toutes les couches n = 1 et n = 2 sont remplies complètement on pourrait se contenter de figurer uniquement la couche n = 3, avec l' orbitale 3s.
Il faudra juste se garder d' oublier les... 10 électrons internes!!!
 

Orbitale 3s

n = 3; l = 0; m = 0.

La structure électronique de l' atome de sodium, pris dans son état fondamental, sera alors:

On poursuit de la sorte jusqu' à l' argon, gaz rare suivant le néon, dont le numéro atomique est Z = 18.

On aura alors:

III.3.2. Elément magnésium. Symbole Mg. Z = 12.
Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)².
 
 

Orbitale 3s

n = 3; l = 0; m = 0.

III.3.3. Elément aluminium. Symbole Al. Z = 13.

Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)³.
 
 

			.	.
Orbitale 3s		Orbitale 3 px	Orbitale 3 py	Orbitale 3 pz
n =3; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 1; m = - 1.	.	.

Structure électronique de l' atome d' aluminium pris dans son état fondamental:

III.3.4. Elément silicium. Symbole Si. Z = 14.

Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)⁴.
 
 

				.
Orbitale 3s		Orbitale 3 px	Orbitale 3 py	Orbitale 3 pz
n = 3; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 1; m = - 1.	n = 3; l = 1; m = 0.	.

Structure électronique de l' atome de silicium pris dans son état fondamental:

III.3.5. Elément phosphore. Symbole P. Z = 15.

Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)⁵.
 
 

Orbitale 3s		Orbitale 3 px	Orbitale 3 py	Orbitale 3 pz
n = 3; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 1; m = - 1.	n = 3; l = 1; m = 0.	n = 3; l = 1; m = + 1.

III.3.6. Elément soufre. Symbole S. Z = 16.

Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)⁶.
 
 

Orbitale 3s		Orbitale 3px	Orbitale 3py	Orbitale 3pz
n = 3; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 1; m = - 1.	n = 3; l = 1; m = 0.	n = 3; l = 1; m = + 1.

Structure électronique de l' atome de soufre, pris dans l' état fondamental:

III.3.7. Elément chlore. Symbole Cl. Z = 17.

Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)⁷.
 
 

Orbitale 3s		Orbitale 3 px	Orbitale 3 py	Orbitale 3 pz
n = 3; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 1; m = - 1.	n = 3; l = 1; m = 0.	n = 3; l = 1; m = + 1.

Structure électronique de l' atome de chlore, pris dans son état fondamental:

III.3.8. Elément argon. Symbole Ar. Z = 18.

Structure électronique vue au lycée: (K)²(L)⁸(M)⁶.
 
 

Orbitale 3s		Orbitale 3 px	Orbitale 3 py	Orbitale 3 pz
n = 3; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 1; m = - 1.	n = 3; l = 1; m = 0.	n = 3; l = 1; m = + 1.

Structure électronique de l' atome d' argon, pris dans son état fondamental:

Et maintenant les ennuis vont commencer avec l' élément suivant, le potassium, symbole K, de numéro atomique Z = 19.

III.4. La quatrième période.
 Retour au plan du cours sur la classification périodique.

III.4.1. Le potassium. Symbole K. Z = 19.

On s' attendait  déjà au lycée à avoir pour structure électronique du potassium la structure suivante: (K)²(L)⁸(M)⁹.
En effet, la couche M, caractérisée par n = 3 pouvait contenir, toujours d' après le cours de Seconde, 2.n² électrons au maximum, c' est à dire ici 2.(3)², soit 18 électrons. Or on n' en a mis que 8 dans la couche M en allant jusqu' à l' argon.

C' est avec le potassium que se produit le premier accident de remplissage dans la classification périodique des éléments.

On constate expérimentalement que la couche N, correspondant à n = 4, commence à se remplir, avant même que la couche M,  caractérisée par n = 3, soit complète.

Au lycée on écrit alors la structure électronique de l' atome de potassium, pris dans son état fondamental:
(K)²(L)⁸(M)⁸(N)¹.

Avec les cases quantiques on aura:
 
 

Orbitale 4s

n = 4; l = 0; m = 0.

La structure électronique de l' atome de l' élément potassium, pris dans son état fondamental est:

III.4.2. L' élément calcium. Symbole Ca. Z = 20.

On rajoute un électron supplémentaire.
Au lycée la structure électronique  de l' atome de calcium s' écrivait:
(K)²(L)⁸(M)⁸(N)².

Avec les cases quantiques on écrira alors:
 
 

Orbitale 4s

n = 4; l = 0; m = 0.

La struture électronique de l' atome de l' élément calcium, pris dans son état fondamental, est:

III.4.3. L' élément scandium. Symbole Sc. Z = 21.

On commence avec la scandium quelque chose de complètement nouveau par rapport au lycée, où seuls les 20 premiers éléments chimiques étaient au programme, au niveau de leur structure électronique.

En continuant sur la lancée du lycée on se serait attendu pour le scandium à la structure électronique suivante:
(K)²(L)⁸(M)⁸(N)³.

Or, on constate expérimentalement qu' il n' en est rien, et qu' on recommence à remplir, à partir du scandium, la couche M.

La structure électronique du scandium, telle qu' on aurait pu l' écrire au lycée, serait alors:
(K)²(L)⁸(M)⁹(N)².

On aborde avec le scandium le second accident de remplissage dans la classification périodique.

On commence avec lui la série des 10 premiers éléments de transition, ceux pour lesquels on commence à remplir, pour la première fois, les sous-couches 3d.

Avec les cases quantiques on écrira alors:
 
 

			.	.	.	.
Orbitale 4s		Orbitale 3d	Orbitale 3d.	Orbitale 3d.	Orbitale 3d.	Orbitale 3d.
n = 4; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 2; m = - 2.	.	.	.	.

La structure électronique du scandium s' écrira dès lors:

Ou, plus simplement:

Comme les 5 orbitales 3d peuvent contenir au maximum 10 électrons en tout, c' est à dire bien sûr, 5 fois deux électrons chacune, on imagine aisément la suite: on va aller jusqu' à [ Ar ] 4s²3d¹⁰, c' est à dire l' élément pour lequel Z = 30, il s' agit du zinc.

Un premier bilan va nous permettre, à partir du vingt-et-unième élément, de nous demander:

On utilise alors la règle , purement mnémotechnique, nullement raisonnée donc, de KLECHKOWSKY, et l' on commentera les exceptions de remplissage à cette "règle".

Pour bien faire il faut savoir que ce seront les propriétés magnétiques et optiques des matériaux, couplées aux calculs à partir de l' équation de SCHRÖDINGER, qui permettront de placer réellement les niveaux d' énergie dans l' atome polyélectronique.

Au niveau d' un cours de première année, si déjà l' on sait utiliser à bon escient la règle mnémotechnique de KLECHKOWSKY déjà ce sera très bien.

Cette règle est représentée sous forme de tableau ci-dessous:
 
 

Les orbitales 7 d, 6 f, 7 f,  ne figurent pas dans le tableau étant donné qu' à l' heure actuelle on ne connaît aucun élément chimique (artificiel) qui serait susceptible de contenir de pareilles orbitales.
On ne connaît en 2000 que 118 éléments chimiques.

Les chiffres en gras représentent l' ordre de remplissage des diverses orbitales atomiques.

On commence donc par l' orbitale 1s (chiffre 1) puis on continue par 2s (chiffre 2), par 2p (chiffre 3), par 3s (chiffre 4), etc.....

On aura donc:
 

Pour la série des premiers éléments de transition, c' est à dire les 10 éléments chimiques où l' on va remplir les orbitales 3 d progressivement, on aura:

Les électrons des niveaux 4s et 3d, qui sont six en tout pour le chrome, et qui sont dans des niveaux énergétiques très proches, se répartissent alors de façon à occuper le maximum de cases quantiques, en donnant à l' atome de chrome, un spin électronique global maximal.
Les cinq orbitales 3d sont alors toutes à moitié remplies.
 
 

Orbitale 4s		Orbitale 3d	Orbitale 3d	Orbitale 3d	Orbitale 3d	Orbitale 3d
n = 4; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 2; m = - 2.	n = 3; l = 2; m = - 1.	n = 3; l = 2; m = 0.	n = 3; l = 2; m = + 1.	n = 3; l = 2; m = +2.

La structure électronique de l' atome de chrome, pris dans son état fondamental, est:

Cela confère une plus grande stabilité à l' atome. Du moins.... pour cet exemple là! Vérité toute.. relative, donc...

Ce sont les propriétés magnétiques du chrome qui ont permis de déterminer sa structure électronique à l' état fondamental.

Passons à l' élément suivant, le manganèse:

Le manganèse ne constitue pas une exception à la règle mnémotechnique de KLECHKOWSKY.

Nous avons ensuite:

Le fer ne constitue pas, lui non plus, une exception à la règle mnémotechnique de KLECHKOWSKY.

Puis vient le cobalt.

Ensuite il y a le nickel.

Puis, il vient le cuivre.

Les 11 électrons de l' atome de cuivre qui se situent dans les orbitales atomiques 3d et 4s, assez proches en énergie, se répartissent de façon à occuper le maximum d' orbitales 3d, afin que ces dernières soient complètement remplies.

Cela confère une stabilité accrue à la structure électronique évoquée.
 
 

Orbitale 4s		Orbitale 3d	Orbitale 3d	Orbitale 3d	Orbitale 3d	Orbitale 3d
n = 4; l = 0; m = 0.		n = 3; l = 2; m = - 2.	n = 3; l = 2; m = - 1.	n = 3; l = 2; m = 0.	n = 3; l = 2; m = + 1.	n = 3; l = 2; m = + 2.

La structure électronique de l' atome de cuivre, pris dans son état fondamental, est alors:

Ce sont les propriétés magnétiques du cuivre qui ont permis de trouver cette structure électronique.

Après le cuivre vient le zinc, qui est le dixième élément de transition.

Souvent on dit que le zinc est un "pseudoélément de transition". Qu' est-ce à dire?

Les éléments de transition ont des propriétés très intéressantes. En effet, celles-ci résident, et on le verra plus tard, en licence et maîtrise de chimie, pour ceux qui poursuivront là-dedans, que les orbitales d, du fait qu' elles soient incomplètement remplies, ont des propriétés remarquables.

Ce sont elles qui vont pouvoir permettre de mieux comprendre les phénomènes de catalyse: en effet, bon nombre de molécules organiques pourront se fixer, via les orbitales d des métaux de transition, à des atomes métalliques. Des réactions chimiques très spécifiques pourront alors se produire: ce seront les catalyseurs à base de nickel, par exemple, appelés catalyseurs de RANEY ou de SABATIER.
Voir cours de chimie organique de seconde année de DEUG.

Le zinc, pour en revenir à lui, du fait que les orbitales 4s et 3d soient complètement remplies, ne présentera pas, par exemple, les mêmes propriétés de catalyse. C' est seulement pour cela qu' on se permet de parler de "pseudoélément de transition" à son encontre.

Après le zinc, vient le gallium. Symbole Ga. Z = 31.

Le gallium, qui se trouve être juste sous l' aluminium dans la classification périodique est très intéressant historiquement.

Il a été découvert en 1875 par le Français Lecoq de Bois Beaudrant, juste six ans après la publication par MENDELEIEV de la classification périodique.
MENDELEIEV donc ne connaissait pas le gallium.
Prévoyant qu' il serait un jour découvert, il laissa une case vide dans sa classification périodique pour lui.
La découverte du gallium fut donc la confirmation, si besoin était, de la justesse de la classification de MENDELEIEV; laquelle prévoyait justement la périodicité des propriétés des éléments chimiques.
En effet, chimiquement, le gallium prsente des propriétés  voisines de l' aluminium....

Puis viennent, dans l' ordre: le germanium, l' arsenic, le sélénium, le brome et le krypton.

On arrive à l' élément suivant, avec Z = 37, le rubidium.

On entame alors la cinquième période, puisque la structure électronique de l' atome de rubidium, pris dans son état fondamental est:

On rencontre alors avec le rubidium, un homologue, au niveau de sa structure électronique, notamment au niveau de la dernière couche électronique remplie, du potassium:

Ce sont ces analogies de structure électronique des couches périphériques, notamment, qui vont constituer ce que l' on va appeler la "périodicité des propriétés" des atomes des éléments chimiques.

C' est donc, avec le krypton (Z = 36), la fin de la quatrième période, et, avec le rubidium ( Z = 37), le début de la cinquième période.

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