Nombres quantiques en chimie, ce sont les ensembles de nombres qui décrivent l’orbite et le mouvement d’un électron au sein d’un atome. Lorsque les nombres quantiques de tous les électrons d’un atome donné sont additionnés, ils doivent satisfaire à la équation de Schrödinger .

Les nombres quantiques sont l'ensemble des nombres utilisés pour décrire la position et l'énergie d'un électron dans un atome. Il existe quatre types de nombres quantiques : principal, azimutal, magnétique et spin. Les nombres quantiques représentent les valeurs des quantités conservées d’un système quantique.

Découvrons tous les nombres quantiques en détail dans cet article.

Table des matières

• Que sont les nombres quantiques ?
• Types de nombres quantiques
• Importance des nombres quantiques
• Orbitale atomique
• Autres lois liées à la position et au chemin des électrons

Que sont les nombres quantiques ?

Les nombres quantiques sont l'ensemble des valeurs constantes dans l'approche quantique. Nombres quantiques ou Nombres quantiques électroniques décrire un électron avec des valeurs numériques qui fournissent des solutions à l'équation des ondes de Schrödinger pour les atomes d'hydrogène. Ces nombres peuvent définir la position, l'énergie et l'orientation d'un électron dans un atome à travers l'ensemble des nombres.

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Selon le principe d'exclusion de Pauli , deux électrons dans un atome ne peuvent pas avoir le même ensemble de nombres quantiques. Une valeur demi-entière ou entière est utilisée pour caractériser chaque nombre quantique. Les nombres quantiques principaux, azimutaux et magnétiques sont respectivement liés à la taille, à la forme et à l'orientation de l'atome.

Quatre nombres quantiques peuvent être utilisés pour décrire complètement toutes les propriétés d'un électron donné dans un atome ; ceux-ci sont:

1. Nombre quantique principal
2. Nombre quantique de moment cinétique orbital (ou nombre quantique azimutal).
3. Nombre quantique magnétique
4. Le nombre quantique de spin électronique

Types de nombres quantiques

Quatre nombres quantiques sont utilisés pour décrire complètement toutes les caractéristiques d’un électron dans un atome. Ces nombres quantiques sont :

• Nombre quantique principal (n)
• Nombre quantique azimutal (l)
• Nombre quantique magnétique (m_je)
• Nombre(s) quantique(s) de spin électronique

Nombre quantique principal (n)

Le symbole « n » représente les principaux nombres quantiques. Ils désignent la couche électronique primaire de l’atome. Parce qu’il décrit la distance la plus probable entre le noyau et les électrons, une valeur plus grande du nombre quantique principal implique une plus grande distance entre l’électron et le noyau (ce qui, à son tour, implique une plus grande taille atomique).

• La valeur du nombre quantique principal peut être n’importe quel nombre entier avec une valeur positive égale ou supérieure à un. La valeur n = 1 désigne la couche électronique la plus interne d’un atome, qui correspond à l’état d’énergie le plus bas (ou état fondamental) d’un électron.
• En conséquence, le nombre quantique principal, n, ne peut pas avoir une valeur négative ou être égal à zéro car un atome ne peut pas avoir une valeur négative ou aucune valeur pour une coque principale.
• Lorsqu’un électron est imprégné d’énergie (état excité), l’électron passe d’une couche principale à une couche supérieure, provoquant une augmentation de la valeur de n.
• De même, à mesure que les électrons perdent de l’énergie, ils retournent dans les couches inférieures, réduisant ainsi la valeur de n. L'absorption fait référence à l'augmentation de la valeur de n pour un électron, mettant l'accent sur les photons ou l'énergie absorbée par l'électron.
• De même, une diminution de la valeur de n pour un électron est appelée émission, et c’est là que les électrons émettent leur énergie.

Nombre quantique azimutal (l) – Nombre quantique de moment angulaire orbital

Le nombre quantique azimutal (ou moment cinétique orbital) décrit la forme d'une orbitale. Il est représenté par la lettre « l » et sa valeur est égale au nombre total de nœuds angulaires dans l’orbitale.

• Une valeur du nombre quantique azimutal peut désigner une sous-couche s, p, d ou f, dont les formes varient.
• Cette valeur est déterminée par (et limitée par) la valeur du nombre quantique principal, c'est-à-dire que le nombre quantique azimutal est compris entre 0 et (n-1).
• Par exemple, si n = 3, le nombre quantique azimutal peut avoir trois valeurs : 0, 1 et 2.
• Lorsque l est défini sur zéro, le sous-shell résultant est un sous-shell « s ».
• Lorsque l = 1 et l = 2, les sous-couches résultantes sont respectivement les sous-couches « p » et « d » (respectivement).
• En conséquence, lorsque n = 3, les trois sous-couches pouvant exister sont 3s, 3p et 3d. Dans un autre cas où n = 5, les valeurs possibles de l sont 0, 1, 2, 3 et 4. Si l = 3, l'atome contient trois nœuds angulaires.

Nombre quantique magnétique (m_je)

Le nombre quantique magnétique détermine le nombre total d'orbitales dans une sous-couche ainsi que leur orientation. Il est représenté par le symbole 'm_je.’ Ce nombre représente la projection du moment cinétique de l’orbite le long d’un axe donné.

• Le nombre quantique magnétique est déterminé par le nombre quantique azimutal (ou moment cinétique orbital).
• Pour une valeur donnée de l, la valeur de m_jese situe entre -l et +l. De ce fait, elle dépend indirectement de la valeur de n.
• Par exemple, si n = 4 et l = 3 dans un atome, le nombre quantique magnétique peut être -3, -2, -1, 0, +1, +2 et +3. Le nombre total d’orbitales dans une sous-couche donnée est déterminé par la valeur « l » de l’orbitale.
• Il est calculé selon la formule (2l + 1). La sous-couche « 3d » (n=3, l=2), par exemple, possède 5 orbitales (2*2 + 1). Chaque orbitale peut contenir deux électrons. En conséquence, la sous-couche 3D peut accueillir un total de 10 électrons.

Nombre(s) quantique(s) de spin électronique

Le nombre quantique de spin électronique est indépendant de n, l et m_jevaleurs. La valeur de ce nombre, désignée par le symbole m_s, indique la direction dans laquelle l’électron tourne.

• Eux_sLa valeur indique la direction dans laquelle l’électron tourne. Le nombre quantique de spin électronique peut avoir des valeurs comprises entre +1/2 et -1/2.
• Une valeur positive de m_sdésigne une rotation ascendante de l'électron, également connue sous le nom de spin up.
• Si m_sest négatif, on dit que l'électron en question a une rotation vers le bas ou une rotation vers le bas.
• La valeur du nombre quantique de spin de l’électron détermine si l’atome en question peut ou non générer un champ magnétique. La valeur de m_speut être généralisé à ±½.

Importance des nombres quantiques

Les nombres quantiques sont importants car ils peuvent être utilisés pour estimer la configuration électronique d’un atome et l’endroit où ses électrons sont le plus susceptibles de se trouver. Le rayon atomique et l’énergie d’ionisation des atomes, entre autres propriétés, sont également déterminés par les nombres quantiques.

Chaque nombre quantique a sa propre signification qui est décrite dans le tableau suivant :

Orbitale atomique

Comme nous savons que les électrons se comportent comme des ondes et que la position de l’électron à l’intérieur de l’atome peut facilement être définie à l’aide de la théorie ondulatoire de la mécanique quantique en résolvant l’équation des ondes de Schrödinger au niveau d’énergie spécifique d’un atome.

Ces fonctions d'onde qui définissent la position d'un électron à l'intérieur d'un atome sont appelées orbitales atomiques. Ces orbitales sont les endroits où l’on a la plus grande probabilité de trouver l’électron. Il existe quatre types d'orbitales à l'intérieur d'un atome

• s – orbitale
• p – orbitale
• d – orbitale
• f – orbitale

Les orbitales atomiques sont également définies comme l’espace physique à l’intérieur de l’atome où la probabilité de trouver l’électron est la plus élevée.

En savoir plus:

• Configuration électronique des éléments
• Remplissage des orbitales dans l'atome
• Formes des orbitales atomiques

Autres lois liées à la position et au chemin des électrons

Trois autres règles et principes de chimie nous aident à comprendre la position, le chemin, les orbites et les niveaux d'énergie des électrons dans un atome. Ils sont abordés dans les sous-sections suivantes :

Principe structurel

Le principe d'Aufbau, également appelé règle d'Aufbau, dit que les électrons entrent d'abord dans les orbitales atomiques de basse énergie avant celles de plus haute énergie. Aufbau signifie construction en allemand.

Définition NCERT du principe de structure

Dans l’état fondamental des atomes, les orbitales sont remplies par ordre croissant d’énergie.

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Le Principe constructif nous aide à comprendre comment les électrons s’organisent en atomes ou en ions. Par exemple, le sous-shell 1s est rempli avant le sous-shell 2s.

Voici l'ordre dans lequel les électrons remplissent les orbitales : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p et ainsi de suite. Ce modèle de remplissage s'applique à chaque atome.

Pour exemple , en utilisant le principe d'Aufbau, le configuration électronique du soufre s'écrit comme [S] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.

Règle de Hund de multiplicité maximale

La règle de Hund dit que chaque orbitale d’un sous-niveau reçoit un électron avant que l’une d’entre elles n’en reçoive un deuxième. Et tous les électrons de ces orbitales à occupation unique ont le même spin.

Définition NCERT de la règle de Hund

L'appariement des électrons dans les orbitales appartenant à la même sous-couche (p, d ou f) n'a pas lieu tant que chaque orbitale appartenant à cette sous-couche n'a pas chacune un électron, c'est-à-dire qu'elle est occupée individuellement.

La règle de Hund, également appelée règle de multiplicité maximale, peut conduire à ce que les atomes possèdent plusieurs électrons non appariés. Ces électrons non appariés peuvent tourner dans différentes directions, créant ainsi des moments magnétiques dans différentes directions.

La règle de Hund s’applique à certaines molécules qui possèdent des électrons non appariés.

Principe d'exclusion de Pauli

Le principe d’exclusion de Pauli dit que deux particules identiques avec des spins semi-entiers ne peuvent pas être dans le même état quantique au sein d’un système.

Définition NCERT du principe d'exclusion de Pauli

Deux électrons dans un atome ne peuvent pas avoir le même ensemble de quatre nombres quantiques.

OU

Seuls deux électrons peuvent exister sur la même orbitale et ces électrons doivent avoir des spins opposés.

En chimie, le principe d'exclusion de Pauli nous dit que dans le même atome, deux électrons ne peuvent pas avoir leurs quatre nombres quantiques identiques. Cela signifie qu’au plus deux électrons peuvent occuper la même orbitale et qu’ils doivent avoir des spins opposés.

Le principe d’exclusion de Pauli fixe des limites au nombre d’électrons pouvant se trouver dans une couche ou une sous-couche.

Questions résolues sur les nombres quantiques

Questions 1 : Trouvez les quatre nombres quantiques du dernier électron du Rubidium.

Solution:

Le rubidium a le numéro atomique Z = 37.

Configuration électronique du Rubidium,

1s²2s²14h⁶3s²15h⁶3D^dix4s²16h⁶5s¹

Le dernier électron de la couche de Valence est à 5 s¹

Donc,

Nombre quantique principal, n = 5,

Nombre quantique azimutal, l = 0,

Nombre quantique magnétique, m_je= 0,

Nombre quantique de spin, s = +1/2

Questions 2 : Énoncez les valeurs possibles du nombre quantique magnétique pour l = 2.

Solution:

Étant donné que le nombre quantique azimutal, l = 2

Nous savons que,

m_je= – l à + l

Donc,

m_je= -2 à +2

c'est à dire.

m₂= -2, -1, 0, +1, +2

Questions 3 : Trouvez les quatre nombres quantiques du dernier électron du sodium.

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Solution:

Le sodium a le numéro atomique Z = 11.

Configuration électronique du Rubidium,

1s²2s²14h⁶3s¹

Le dernier électron de la coquille de Valence est à 3 s¹

Donc,

Nombre quantique principal, n = 3,

Nombre quantique azimutal, l = 0,

Nombre quantique magnétique, m_je= 0,

jlist

Nombre quantique de spin, s = +1/2

Questions 4 : Énoncez les valeurs possibles du nombre quantique magnétique pour l = 3.

Solution:

Étant donné que le nombre quantique azimutal, l = 3

Nous savons que,

pour l = 3,

m_je= – 3 à + 3

c'est à dire.

m = -3 , -2, -1, 0, +1, +2 +3

Problèmes de pratique des QCM sur les nombres quantiques

Pour en savoir plus sur la pratique des nombres quantiques QCM sur les nombres quantitatifs

FAQ sur les nombres quantiques

Définir les nombres quantiques.

L’ensemble des nombres utilisés pour définir la position et l’énergie du nombre d’électrons dans un atome sont appelés nombres quantiques.

Combien y a-t-il de nombres quantiques ?

Les quatre nombres quantiques sont :

• Nombre quantique principal (n)
• Nombre quantique azimutal (l)
• Nombre quantique magnétique (m_je)
• Nombre quantique de spin électronique

Quel nombre quantique spécifie la forme d’une orbitale ?

Le nombre quantique azimutal (l) également appelé nombre quantique angulaire définit la forme de l'orbitale.

Quel nombre quantique détermine l’orientation de l’orbitale ?

Nombre quantique magnétique (m_je) est utilisé pour représenter l'orientation de l'orbitale dans l'espace tridimensionnel.

Combien de nombres quantiques sont nécessaires pour spécifier une orbitale ?

Trois nombres quantiques sont nécessaires pour spécifier l'orbitale d'un atome :

• Nombre quantique principal (n)
• Nombre quantique azimutal (l)
• Nombre quantique magnétique (m_je)

Quel nombre quantique détermine l’énergie de l’électron ?

L'énergie de l'électron peut facilement être déterminée en utilisant le nombre quantique principal (n) et le nombre quantique azimutal (l) d'un électron.

Qu’est-ce que l’énergie quantique ?

L’énergie des particules quantiques (c’est-à-dire les très très petites particules) est appelée énergie quantique. Une façon de mesurer l'énergie quantique consiste à utiliser le photon, qui est la plus petite unité permettant de mesurer l'énergie lumineuse et l'énergie d'autres ondes électromagnétiques.

Qu'est-ce que le spin d'un électron ?

Le spin électronique est une propriété quantique des électrons. C'est une forme avec un moment cinétique. En tant que technique pédagogique, les instructeurs comparent le spin des électrons à la planète tournant sur son propre axe toutes les 24 heures. La rotation se produit lorsque l'électron tourne dans le sens des aiguilles d'une montre sur son axe ; la rotation se produit lorsque l’électron tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Quel est le principe de construction ?

Principe constructif est un concept en chimie qui explique comment les électrons remplissent les orbitales atomiques d'un atome. Selon ce principe, les électrons occupent les orbitales d’énergie les plus basses disponibles avant de passer aux orbitales d’énergie plus élevée.

Qu’est-ce que la classe 11 de la règle de Hund ?

La règle de Hund, souvent discutée en chimie de classe 11, stipule que les électrons occuperont individuellement des orbitales du même niveau d’énergie (sous-couche) avant de s’associer. De plus, les électrons des orbitales occupées une seule fois auront des spins parallèles.

Qu’est-ce que la forme complète de SPDF ?

SPDF représente les quatre sous-niveaux ou orbitales d'un atome : s, p, d et f. Ces lettres représentent différentes formes et orientations des orbitales atomiques où les électrons sont susceptibles de se trouver.

• S : pointu
• Q : Principal
• D : diffus
• F : fondamental

Pourquoi le quantum est-il appelé quantique ?

Le terme quantique vient du mot latin signifiant combien ou quantité . En physique, il fait référence aux unités discrètes et indivisibles dans lesquelles certaines quantités physiques, telles que l'énergie et la quantité de mouvement, sont quantifiées selon la théorie quantique. Ces unités discrètes sont fondamentales pour comprendre le comportement des particules aux niveaux atomique et subatomique. Par conséquent, le domaine de la physique quantique doit son nom au concept de quantification.