Par Rosann Kozlowski – Mise à jour le 30 août 2022

Les niveaux d’énergie et les orbitales définissent la structure électronique d’un atome, révélant la manière dont les électrons sont disposés autour du noyau. Ces concepts découlent de la théorie quantique, qui décrit les états énergétiques discrets que les électrons peuvent occuper.

La théorie quantique en bref

La théorie quantique affirme que les atomes ne peuvent exister que dans des états énergétiques spécifiques. Lorsqu’un électron passe d’un état à l’autre, il absorbe ou émet un quantum précis d’énergie égal à la différence entre les états initial et final. Cette quantification est exprimée à travers un ensemble de quatre nombres quantiques.

Quatre nombres quantiques expliqués

Chaque électron est identifié de manière unique par :

• n – Nombre quantique principal (niveau d'énergie)
• l – Nombre quantique azimutal (type sous-couche)
• m_l – Nombre quantique magnétique (orientation orbitale)
• m_s – Nombre quantique de spin (+½ ou –½)

Nombre quantique principal (n)

La valeur de n détermine la taille et l’énergie d’une orbitale. Il prend des valeurs entières commençant à 1. Chaque niveau est également étiqueté par une lettre :n=1 (K), n=2 (L), n=3 (M), n=4 (N), et ainsi de suite.

Le nombre d'orbitales dans un niveau d'énergie donné est calculé par n² :

• n=1 → 1²=1 orbitale(s)
• n=2 → 2²=4 orbitales (s+p)
• n=3 → 3²=9 orbitales (s+p+d)
• n=4 → 4²=16 orbitales (s+p+d+f)

Le nombre maximum d'électrons par niveau d'énergie découle du principe d'exclusion de Pauli et est donné par 2n² :

• n=1 → 2 électrons
• n=2 → 8 électrons
• n=3 → 18 électrons
• n=4 → 32 électrons

Nombre quantique azimutal (l)

Pour un n fixe , l peut aller de 0 à n‑1 . Les valeurs entières correspondent aux sous-shells :0=s, 1=p, 2=d, 3=f. La capacité de chaque sous-shell est :

• s – 2 électrons
• p – 6 électrons
• d – 10 électrons
• f – 14 électrons

Nombre quantique magnétique (m_l )

Étant donné un l , m_l peut prendre des valeurs entières de –l à +l , dont zéro. Ceci détermine l'orientation spatiale de chaque orbitale :

• l=0 (s) :m_l  =0 → 1 orbitale
• l=1 (p) :m_l  =–1,0,+1 → 3 orbitales (px, py, pz)
• l=2 (d) :m_l  =–2 … +2 → 5 orbitales
• l=3 (f) :m_l  =–3 … +3 → 7 orbitales

Nombre quantique de rotation (m_s )

Chaque orbitale peut contenir deux électrons de spins opposés :+½ ou –½. Cela garantit le respect du principe d'exclusion de Pauli, qui interdit à deux électrons de partager les quatre nombres quantiques.

Rassembler tout cela

Pour vérifier le nombre d'orbites pour un niveau d'énergie spécifique, additionnez les orbitales contribuées par chaque sous-couche. Par exemple, pour n=3 (M shell) :

• s (l=0) :1 orbitale
• p (l=1) :3 orbitales
• d (l=2) :5 orbitales

1+3+5=9 orbitales, correspondant à la règle n².

Comprendre ces relations est essentiel pour interpréter les configurations électroniques, prédire le comportement chimique et maîtriser des sujets avancés en chimie quantique.