Modèle de Slater

Partie

Question

Calculer en eV les énergies de première et seconde ionisation de l'atome de béryllium dans le modèle de Slater.

On trouvera ci-dessous les valeurs des constantes d'écran partielles.

Aide simple

Le numéro atomique du béryllium est \(\mathrm{Z = 4}\) et sa configuration électronique est \(1\mathrm{s}^2~2\mathrm{s}^2\).

Pour obtenir l'énergie d'un électron sur une orbitale, on utilise la formule de type hydrogénoïde :

\(\mathrm{E}_\mathrm{n}\left(\mathrm{eV}\right)=-13,6\left(\frac{\mathrm{Z^*}}{\mathrm{n}}\right)^2\)

La charge effective est la charge Z du noyau diminuée de la somme des constantes d'écran dues aux autres électrons.

Aide méthodologique

L'énergie de première ionisation\( \mathrm{I_1}\) correspond à la perte d'un électron :

\(\mathrm{X}\to\mathrm{X}^++\mathrm{\bar{e}}\)

L'énergie de seconde ionisation \(\mathrm{I_2}\) correspond à la perte d'un second électron :

\(\mathrm{X}^+\to\mathrm{X}^{2+}+\mathrm{\bar{e}}\)

Les énergies de ces espèces sont obtenues en sommant les énergies des orbitales occupées.

Aide à la lecture

Les énergies d'ionisation sont définies à partir des différences d'énergie entre les espèces intervenant dans le processus d'ionisation.

Solution détaillée

On calcule l'énergie de l'atome de béryllium.

Charge effective vue par un électron 2s

Charge effective vue par un électron 1s

\(\mathrm{Z^*}\left(2\mathrm{s}\right)=4-0,35-2\times0,85=1,95\)

\(\mathrm{Z^*}\left(1\mathrm{s}\right)=4-0,31=3,69\)

Energie de l'orbitale 2s (en eV)

Energie de l'orbitale 1s (en eV)

\(\mathrm{E_2}=-13,6\left(\frac{1,95}{2}\right)^2=-12,93\)

\(\mathrm{E_1}=-13,6\left(\frac{3,69}{1}\right)^2=-185,18\)

L'énergie de Be est alors :

\(\mathrm{E}\left(\mathrm{Be}\right)=2\times\mathrm{E_1}+2\times\mathrm{E_2}=-396,22~\mathrm{eV}\)

On calcule l'énergie du cation\( \mathrm{Be}^+\) de configuration\( 1\mathrm{s}^2 2\mathrm{s}^1\).

Charge effective vue par l'électron 2s

Charge effective vue par un électron 1s

\(\mathrm{Z^*}\left(2\mathrm{s}\right)=4-2\times0,85=2,30\)

\(\mathrm{Z^*}\left(1\mathrm{s}\right)=4-0,31=3,69\)

Energie de l'orbitale 2s (en eV)

Energie de l'orbitale 1s (en eV)

\(\mathrm{E_2}=-13,6\left(\frac{2,30}{2}\right)^2=-17,99\)

\(\mathrm{E_1}=-13,6\left(\frac{3,69}{1}\right)^2=-185,18\)

L'énergie de\( \mathrm{Be}^+\) est alors :

\(\mathrm{E}\left(\mathrm{Be^+}\right)=2\times\mathrm{E_1}+\mathrm{E_2}=-388,35~\mathrm{eV}\)

On calcule l'énergie du cation \(\mathrm{Be}^{2+}\) de configuration \(1\mathrm{s}^2\).

Charge effective vue par un électron 1s

\(\mathrm{Z^*}\left(1\mathrm{s}\right)=4-0,31=3,69\)

Energie de l'orbitale 1s (en eV)

\(\mathrm{E_1}=-13,6\left(\frac{3,69}{1}\right)^2=-185,18\)

L'énergie de \(\mathrm{Be}^{2+}\) est alors :

\(\mathrm{E}\left(\mathrm{Be^{2+}}\right)=2\times\mathrm{E_1}=-370,36~\mathrm{eV}\)

L'énergie de première ionisation est :

\(\mathrm{I_1}=\mathrm{E}\left(\mathrm{Be^+}\right)-\mathrm{E}\left(\mathrm{Be}\right)=7,87~\mathrm{eV}\)

L'énergie de seconde ionisation est :

\(\mathrm{I_2}=\mathrm{E}\left(\mathrm{Be^{2+}}\right)-\mathrm{E}\left(\mathrm{Be^+}\right)=17,99~\mathrm{eV}\)