Diagramme de Moeller: qu'est-ce que c'est, comment il est utilisé en chimie et exemples

La chimie peut être particulièrement compliquée, donc tout outil qui facilite l'apprentissage pour ceux qui y sont initiés est le bienvenu.

L'une des méthodes les plus populaires pour se familiariser avec la règle de Madelung et la configuration électronique des atomes est le diagramme de Moeller, une règle mnémonique graphique qui permet de voir très facilement dans quelles orbitales le électrons.

Ensuite nous allons découvrir en quoi consiste le diagramme de Moeller, comment elle se rapporte à la règle de Madelung, comment elle est appliquée au moyen de quelques exemples résolus, et quels éléments chimiques n'obéissent pas à cette stratégie.

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Qu'est-ce que le diagramme de Moeller ?

Le diagramme de Moeller, également connu sous le nom de méthode de la pluie ou règle des diagonales, est une méthode graphique et mnémotechnique pour apprendre la règle de Madelung, une technique pour connaître et écrire la configuration électronique des éléments chimiques.

Ce diagramme se caractérise par le tracé de diagonales à travers les colonnes des orbitales, de haut en bas de droite à gauche. A travers le diagramme de Moeller, un ordre de remplissage des orbitales est défini, qui sera défini par trois nombres quantiques: n, l et ml.

Le diagramme de Moeller fonctionne comme suit :

Chaque colonne correspond à une orbitale différente à travers laquelle circulent les électrons d'un atome, des particules subatomiques qui ont une charge négative. Les orbitales en question sont: s, p, d et f, chacune avec un espace spécifique pour loger des électrons et, par conséquent, des niveaux d'énergie différents.

Si nous dessinons les diagonales ou les flèches dans le sens susmentionné, nous avons que la première orbitale est 1s. La deuxième flèche commence par l'orbitale 2s. La troisième flèche croise 2p et 3s. La quatrième diagonale est 3p et 4s. La cinquième diagonale est 3d, 4p et 5s et ainsi de suite. Le diagramme de Moeller est une technique d'introduction pour ceux qui commencent à étudier les configurations électroniques des éléments du tableau périodique en chimie.

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La règle de Madelung

Depuis le diagramme de Moeller est la représentation graphique de la règle de Madelung (également connue sous le nom de règle de Klechkovsky dans certains pays), nous devons d'abord savoir de quoi il s'agit. D'après cette règle, le remplissage des orbitales d'un atome doit obéir aux deux règles suivantes :

La première règle de Madelung

Les orbitales avec les valeurs les plus faibles de n + l sont remplies en premier, n étant le nombre quantique principal et l étant le moment angulaire orbital..

Par exemple, l'orbitale 3d correspond à n = 3 et l = 2. Par conséquent, n + l = 3 + 2 = 5. Au lieu de cela, l'orbitale 4s correspond à n = 4 et l = 0, donc n + l = 4 + 0 = 4. À partir de là, il est établi que les électrons remplissent d'abord l'orbitale 4s avant la 3d, car 4s = 4 tandis que 3d = 5.

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La deuxième règle de Madelung

Si deux orbitales ont la même valeur de n + l, les électrons occuperont celle avec la valeur la plus faible de n en premier.

Par exemple, l'orbitale 3d a une valeur de n + l = 5, identique à celle de l'orbitale 4p (4 + 1 = 5) mais, puisque l'orbitale 3d a la valeur la plus faible pour n, elle sera remplie d'abord que le orbitale 4p.

A partir de toutes ces observations et règles, l'ordre suivant peut être atteint dans le remplissage des orbitales atomiques: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p. Bien que cet ordre soit figé, le mémoriser par cœur est compliqué, c'est pourquoi il existe un diagramme de Moeller qui représente graphiquement son ordre.

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Étapes à suivre lors de l'utilisation du diagramme de Moeller

Comme nous l'avons commenté dans la section précédente, la règle de Madelung utilise la formule n + l pour établir ce que les orbitales sont remplies avant et à partir de qui déterminent quelle est la configuration électronique d'un élément déterminé. Cependant, le diagramme de Moeller représente déjà cela graphiquement et facilement, il suffit donc de suivre le colonnes du même schéma et tracer des diagonales pour savoir dans quel ordre les orbitales de chacune élément.

Pour découvrir la configuration électronique d'un atome et dans quelles orbitales se trouvent ses électrons, il faut d'abord connaître son numéro atomique Z. Le nombre Z correspond au nombre d'électrons dans un atome, tant que cet atome est neutre, ou ce qui est le même, que ce n'est pas un ion, ni positif (cation) ni négatif (anion).

Ainsi, connaissant Z pour un atome neutre, nous savons déjà combien d'électrons un atome neutre de cet élément possède habituellement. Dans cet esprit, nous allons commencer à tracer les diagonales sur le diagramme de Moeller. Il faut tenir compte du fait que chaque type d'orbitale a une capacité différente d'héberger des électrons, lesquels sont:

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

Il s'arrête à l'orbitale où le dernier électron donné par Z a été occupé.

Exemples de diagramme de Moeller

Pour mieux comprendre le fonctionnement du diagramme de Moeller, nous allons voir ci-dessous quelques exemples pratiques de réglage de la configuration électronique de différents éléments.

Béryllium

Pour établir la configuration électronique d'un atome neutre de béryllium (Be), il faut d'abord le chercher dans le tableau périodique, un alcalino-terreux qui se trouve dans la deuxième colonne et la deuxième ligne du tableau. Son numéro atomique est 4, donc Z = 4 et il possède également 4 électrons.

Compte tenu de tout cela, nous allons utiliser le diagramme de Moeller pour voir comment se situent les 4 électrons de cet élément. On commence par faire des diagonales dans le sens précité, de haut en bas et de droite à gauche.

Lorsque nous remplissons des orbitales, Il est recommandé de mettre le nombre d'électrons trouvés dans chacun d'eux en exposant. Puisque 1s est la première orbitale et qu'elle occupe deux électrons, nous l'écrirons :

Comme nous avons encore des électrons libres, nous continuons à remplir des orbitales. Vient ensuite l'orbitale 2s et, comme pour 1, elle occupe 2 électrons, donc 2s2. Comme on a déjà tous les électrons bien localisés dans les orbitales de l'atome neutre de Be on peut dire que la configuration électronique de cet élément est :

On s'assure d'avoir bien fait en ajoutant les exposants: 2 + 2 = 4

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Rencontre

L'élément phosphore (P) est un non-métal trouvé dans la troisième ligne et la colonne 16 du tableau périodique, avec Z = 15, il a donc 15 électrons au total qui doivent occuper les orbitales.

Ayant vu l'exemple précédent, on peut avancer un peu et localiser 4 de ses électrons dans les mêmes orbitales que le béryllium a pour ses 4 électrons, il manque 9 électrons plus.

Après l'orbitale 2s, la prochaine diagonale entre dans l'orbitale 2p et se termine à l'orbitale 3s. L'orbitale 2p peut occuper 6 électrons, et dans le cas de 3s seulement 2. Ainsi, nous aurions :

Pour le moment nous avons 12 électrons bien localisés, mais il nous en reste encore 3 à parcourir. Nous faisons une autre diagonale et cette fois nous entrons par l'orbitale 3p selon le diagramme de Moeller, une orbitale qui a de la place pour 6 électrons, mais comme il ne nous reste que 3 électrons, cette orbitale ne sera pas complètement occupée, mettant 3 en exposant. Ainsi, pour en finir avec le phosphore, sa configuration électronique est la suivante :

On s'assure d'avoir bien fait en ajoutant les exposants: 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15

Zirconium

L'élément zirconium (Zr) est un métal de transition trouvé dans la colonne 4 et la ligne 5 et a un Z = 40. En raccourcissant le chemin en profitant de l'exemple précédent, on peut localiser les 18 premiers électrons.

Après l'orbitale 3p, les prochaines à remplir, en nous guidant avec le diagramme de Moeller, sont les orbitales 4s, 3d, 4p et 5s, d'une capacité respective de 2, 10, 6 et 2 électrons.

Compléter les neuf premières orbitales du diagramme ajoute un total de 20 électrons, laissant les 2 électrons restants qui sont logés dans la prochaine orbitale, la 4d. Ainsi, la configuration électronique de l'élément neutre zirconium est :

On s'assure d'avoir bien fait en ajoutant les exposants: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 2 = 40

Oxygène

Ici, nous voyons un exemple légèrement plus compliqué qui est l'oxygène (O). Ce gaz se trouve dans la colonne 16 et la ligne 2 du tableau périodique, c'est un non-métal et a un numéro atomique de 8.

Jusqu'ici, en regardant les autres exemples, on pourrait penser que son Z = 8, cependant ce n'est pas si simple puisque ce gaz est d'une nature particulière, étant presque toujours sous la forme d'un ion avec une charge de -2.

Cela signifie que, bien qu'un atome d'oxygène neutre ait 8 électrons comme indiqué par son numéro atomique, il ne Il est vrai que dans la nature il en a plus, dans son cas 10 (8 électrons + 2 électrons ou, si vous préférez, -8 charge électrique -2).

Donc, dans ce cas, le nombre d'électrons que nous devons localiser dans les orbitales n'est pas 8 mais 10 électrons, comme si nous localisions les électrons de l'élément chimique néon qui a Z = 10.

Comprenant cela, nous n'avons qu'à faire la même chose que nous avons fait dans les cas précédents en tenant uniquement compte du fait que nous travaillons avec un ion (anion):

On s'assure d'avoir bien fait en ajoutant les exposants: 2 + 2 + 6 = 10

Calcium

Quelque chose de similaire à l'oxygène arrive au calcium (Ca), seulement dans ce cas, nous parlons d'un cation, c'est-à-dire d'un ion avec une charge positive.

Cet élément se trouve dans la colonne 2 ligne 4 du tableau périodique avec un numéro atomique de 20, cependant, dans le La nature se présente généralement sous la forme d'un ion avec une charge positive +2, ce qui signifie que sa charge électronique est de 18 (- 20 + 2 = 18; 20 électrons - 2 électrons = 18 électrons).

On s'assure d'avoir bien fait en ajoutant les exposants: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 = 18

Exceptions au diagramme de Moeller et à la règle de Madelung

Bien que le diagramme de Moeller soit très utile pour comprendre la règle de Madelung et savoir comment se situent les électrons des différents éléments chimiques, la vérité est qu'il n'est pas infaillible. Il y a certaines substances dont la composition n'obéit pas à ce que nous avons expliqué.

Leurs configurations électroniques diffèrent expérimentalement de celles prédites par la règle de Madelung pour des raisons quantiques.. Parmi ces éléments qui ne respectent pas les normes nous avons: le chrome (Cr, Z = 24), le cuivre (Cu, Z = 29), l'argent (Ag, Z = 47), le rhodium (Rh, Z = 45), le cérium ( Ce, Z = 58), niobium (Nb; Z = 41), entre autres.

Les exceptions sont très fréquentes lors du remplissage des orbitales d et f. Par exemple, dans le cas du chrome, qui devrait avoir une configuration de valence se terminant par 4s ^ 2 3d ^ 4 selon le diagramme de Moeller et la règle de Madelung, il a en fait une configuration de valence de 4s ^ 1 3d ^ 5. Un autre exemple étrange est celui de l'argent, qui au lieu d'avoir 5s ^ 2 4d ^ 9 comme le dernier a 5s ^ 1 4d ^ 10.