L'article suivant détaille la configuration électronique de la couche de valence du fer, en tenant compte des concepts fondamentaux de la structure atomique, de l'électronégativité et des interactions entre les électrons. L'objectif est de fournir une explication complète et accessible, allant des notions de base aux aspects plus complexes liés aux éléments de transition et à la formation de complexes.
Introduction à la configuration électronique et aux électrons de valence
La configuration électronique d'un atome est une représentation symbolique de la distribution de ses électrons dans les différentes couches et sous-couches électroniques. Ces couches sont désignées par les lettres K, L, M, N, O, P et Q, en partant du noyau. Cette configuration est essentielle pour comprendre les propriétés chimiques de l'élément, car elle détermine comment l'atome interagit avec d'autres atomes pour former des liaisons chimiques.
Les électrons de valence sont les électrons situés dans la couche électronique la plus externe d'un atome. Ils sont responsables des propriétés chimiques de l'élément et déterminent comment il se lie à d'autres atomes. Il est raisonnable de distinguer entre les couches internes - d'énergies très négatives - fortements attachées au noyau et la couche externe - d'énergie plus haute - décrivant des électrons périphériques que l'effet d'écran des couches internes rend moins liés et donc plus labiles. Les énergies mises en jeu pour modifier les couches internes sont aussi beaucoup plus élevées que celles susceptibles d'affecter les électrons périphériques.
Configuration électronique du fer (Fe)
Le fer (Fe) a un numéro atomique de 26, ce qui signifie qu'il possède 26 protons et 26 électrons dans son état neutre. Pour déterminer sa configuration électronique, il faut suivre les règles de remplissage des orbitales atomiques, en tenant compte de la règle de Klechkovski.
Répartition des électrons
Le gaz rare précédent le fer dans le tableau périodique est l'argon (Ar), qui a une configuration électronique complète de (1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6). Par conséquent, le fer possède 26 - 18 = 8 électrons de valence à répartir sur les sous-couches 3d et 4s.
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La configuration électronique du fer est donc ((\textrm{Ar})~3\textrm{d}^{6}~4\textrm{s}^{2}). Cela signifie que le fer a 6 électrons dans la sous-couche 3d et 2 électrons dans la sous-couche 4s.
Ordre de remplissage des sous-couches 3d et 4s
Il est important de noter que la sous-couche 4s est remplie avant la sous-couche 3d, même si la sous-couche 3d a une énergie plus faible. Cela est dû à l'effet de pénétration, qui fait que les électrons 4s sont plus proches du noyau que les électrons 3d.
La question de savoir pourquoi on écrit [Ar]3d6 4s2 ou [Ar]4s2 3d6 est une question de convention. En fait dès qu'on dépasse la 3p^6, il est plus difficile de différencier les couches de valences, vu qu'on mélange les "n". Normalement, la couche de valence est définie par le n le plus élevé. Mais ici on est en présence d'un élément de transition et la notion de couche de valence est moins évidente… Les électrons de la sous couche 3d, qui n'est pas totalement remplie, pourraient être comptabilisés…
Electrons de coeur et de valence
Dans l'écriture des configurations électroniques, on fait apparaître cette distinction en définissant deux catégories d'électrons :
- Les électrons de cœur sont ceux qui peuplent les orbitales internes. Pour un élément donné, ils correspondent à la configuration du gaz rare qui précède cet élément dans la classification. On symbolise la configuration des électrons de coeur par le symbole du gaz rare entre parenthèses.
- Les électrons de valence peuplent les orbitales des couches périphériques occupées. La configuration de valence est notée classiquement en alignant les symboles des sous-couches et en portant en exposant le nombre d'électrons de la sous-couche.
Par exemple, pour le sodium (Z=11), le gaz rare précédent est le néon ((Z=10)). La configuration complète s'écrit (1\textrm s^2 2\textrm s^2 2\textrm p^6 3\textrm s^1). On l'écrit plus synthétiquement ((\textrm{Ne}) 3\textrm s^1).
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Pour le titane (Z=22), le gaz rare précédent est l'argon ((Z=18)). Il y a donc 18 électrons de coeur et 4 électrons de valence. On écrit la configuration sous la forme ((\textrm{Ar}) 4\textrm s^2 3\textrm d^2). Les électrons de valence appartiennent ici à des couches différentes. Les sous-couches (3\textrm s) et (3\textrm p) sont de coeur et les sous-couches (3\textrm d) et (4\textrm s) de valence.
Pour l'arsenic (Z=33), le gaz rare précédent est l'argon ((Z=18)). On écrit la configuration sous la forme ((\textrm{Ar}) 4\textrm s^2 3\textrm d^{10} 4\textrm p^3). 1. 2. - qui occupent les sous couches incomplètes de nombre quantique principal n-1. 3.
Importance de la configuration électronique du fer
La configuration électronique du fer est essentielle pour comprendre ses propriétés chimiques et magnétiques. En particulier, la présence d'électrons non appariés dans la sous-couche 3d confère au fer ses propriétés paramagnétiques.
Formation d'ions et de complexes
Le fer peut perdre ou gagner des électrons pour former des ions. L'ion fer(II) ((Fe^{2+})), par exemple, est formé lorsque le fer perd ses deux électrons 4s. Sa configuration électronique est alors ((\textrm{Ar})~3\textrm{d}^{6}). De même, l'ion fer(III) ((Fe^{3+})) est formé lorsque le fer perd trois électrons (deux 4s et un 3d). Sa configuration électronique est alors ((\textrm{Ar})~3\textrm{d}^{5}).
L'ion fer(II) forme de nombreux complexes octaédriques.
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Exemples de complexes du fer
Un exemple de complexe du fer est l'ion hexacyanoferrate(II), ([Fe(CN)_6]^{4-}). Dans ce complexe, le fer est entouré de six ligands cyanure ((CN^-)). Les ligands cyanure sont des ligands forts, ce qui signifie qu'ils provoquent un fort dédoublement du champ cristallin et favorisent un état de spin bas pour le fer.
Liaison dans l'ion cyanure
Pour comprendre la liaison dans l'ion cyanure, il est important de tenir compte des orbitales atomiques de valence du carbone (C) et de l'azote (N). Le carbone et l'azote appartiennent à la même période, et l'azote est plus électronégatif que le carbone car il est situé à droite du carbone dans le tableau périodique.
Les orbitales atomiques de valence du carbone sont 2s, 2px, 2py et 2pz, et celles de l'azote sont également 2s, 2px, 2py et 2pz.
Diagramme d'orbitales moléculaires de (CN^-)
La figure suivante donne le diagramme d'OM de (CN^-). Les OM s et les OM p sont indiquées. OM 3 ou 4 p liante ; étant plus proche en énergie de l'O A 2pxN, elle est plus développée sur N. OM 6 ou 7 p antiliante ; étant plus proche en énergie de l'O A 2pxC, elle est plus développée sur C.
Rétrodonation
Dans la rétrodonation, la liaison CN est affaiblie.
Autres propriétés du fer
Electronégativité
L'électronégativité du fer est de 1.83 (Pauling) et 1.64 (Allred). L'électronégativité représente l'attirance d'un atome envers les charges négatives (électrons). Elle permet de décrire le comportement des électrons lors de la formation d'une liaison chimique.
Rayons atomiques et ioniques
Le rayon atomique (mesuré) du fer est de 140 pm, et le rayon atomique (calculé) est de 156 pm. Le rayon covalent est de 125 pm, et le rayon ionique est de 55 pm. Le rayon de Van der Waals n'est pas spécifié.
Propriétés physiques
La masse volumique du fer est de 7874 kg/m3 (solide 293K). Le volume molaire est de 7.09 cm3/mole (solide 293K). Le point de fusion est de 1808 K (1,534.9°C, 2,794.7°F), et le point d'ébullition est de 3023 K (2,749.9°C, 4,981.7°F). Le nombre d'isotopes connus pour le fer est de 20.
Affinité électronique
L'affinité électronique du fer (de M à M-) est de 15.7 kJ/mol. C'est l'énergie dégagée lors de la capture d'un électron par un atome (de M à M-). Une valeur négative indiquerait qu'il faut fournir de l'énergie pour que la capture se réalise.
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