Jusqu'en 1911, les atomes constituaient pour l'homme l'ultime particule indivisible de toute matière. Après la découverte des électrons par Joseph Thompson en 1897, Ernest Rutherford a élargi la compréhension des atomes avec son modèle atomique dit de Rutherford. On sait aujourd'hui qu'ils sont constitués d'un noyau atomique et d'un nuage électronique.
Mais quelles sont les couches électroniques ?
Pour en savoir plus sur les couches électroniques et leurs caractéristiques, consulte ce résumé de cours.
- Ce résumé de cours porte sur la couche électroniques.
- Tout d'abord, nous examinerons la structure électronique.
- Ensuite, nous verrons la relation entre le nombre de couches électronique et la période dans le tableau périodique.
- Nous présenterons le modèle de Bohr des couches électroniques.
- Nous aborderons les couches électroniques K L et M et les couches de valence.
- Nous explorerons les niveaux d'énergie et les sous-couches électroniques.
- Nous présenterons les orbitales des électrons, leurs formes et le nombre d'électrons.
- Enfin, nous verrons les règles de remplissage des couches électroniques.
Qu'est-ce qu'une structure électronique ?
Selon l'élément, la couche électronique est \( 20 000 \) à \( 150 000 \) fois plus grande que le noyau atomique. Bien que ce soit le cas, \( 99 \% \) de la masse atomique se trouve dans le noyau atomique. Comment cela se fait-il ?
La différence de masse devient apparente lorsque tu examines les propriétés des éléments constitutifs de la couche atomique - les électrons.
La couche atomique contient les particules élémentaires chargées négativement, les électrons. Le nombre d'électrons dans la couche atomique est égal au nombre de protons dans le noyau.
On appelle la charge des électrons une charge élémentaire négative \( e^- \) . Elle est exprimée en coulombs et correspond approximativement à \( e^- = 1,6 \times 10^{-19} \space C\) .
La charge élémentaire négative est la raison pour laquelle la couche atomique est chargée négativement.
En outre, les protons et les neutrons sont environ \( 2000 \) fois plus lourds qu'un électron. Par conséquent, la masse des électrons présente peu d'influence sur la masse de l'atome entier.
Couche électronique dans le tableau périodique
Le nuage électronique entoure le noyau atomique. Il est divisé en ce que l'on appelle des couches. Les couches sont des espaces où se trouvent les électrons de l'atome. Selon la période dans laquelle se trouve l'atome, celui-ci présente un nombre correspondant de couches. Il y a sept périodes dans le tableau périodique des éléments et, par conséquent, sept couches.
Fig.1- Périodes du tableau périodique
Dans la figure 1, tu peux voir le tableau périodique des éléments tel qu'il se présente aujourd'hui.
Par exemple, l'hydrogène - \( H \) - et l'hélium - \( He \) - sont dans la première période et ne présentent donc qu'une seule couche dans leur enveloppe atomique.
Le modèle de Bohr
La structure de la couche électronique peut être illustrée à l'aide de plusieurs modèles. L'un des premiers modèles à être enseigné est celui de la couche. Il est basé sur le modèle atomique de Bohr.
Dans le résumé de cours "Modèle atomique", tu peux donc en savoir plus à ce sujet.
Dans le modèle de Bohr, le noyau atomique est au centre. Les couches de l'enveloppe atomique s'accumulent autour de l'extérieur de l'atome.
Couche K L M
Les couches électroniques présentent également leurs propres désignations. Par exemple, on appelle la couche de la première période la couche K. En utilisant la formule ci-dessus, tu peux calculer un nombre maximal d'électrons de 2 pour ces couches. Par conséquent, tu n'attribues que deux électrons, sur les six électrons du carbone, à cette couche.
Tu peux retrouver ces informations dans le tableau ci-dessous. Dans la première colonne, tu trouveras la période du tableau périodique. La deuxième colonne contient les désignations des couches et la troisième contient le nombre maximal d'électrons correspondant.
| Période | Désignation | Nombre d'électrons |
| \( 1 \) | K | \( 2 \) |
| \( 2 \) | L | \( 8 \) |
| \( 3 \) | M | \( 18 \) |
| \( 4 \) | N | \( 32 \) |
| \( 5 \) | O | \( 50 \) |
| \( 6 \) | P | \( 72 \) |
| \( 7 \) | Q | \( 98 \) |
Les couches O à Q ne sont jamais complètement remplies. Les éléments existants présentent tout simplement trop peu d'électrons pour cela.
Le modèle de couche étant relativement simple, certaines propriétés des éléments peuvent être mieux illustrées par rapport à des modèles plus détaillés. L'une de ces propriétés est la règle des gaz rares.
Couche de valence
Les atomes gagnent ou perdent des électrons au cours des réactions et deviennent ainsi des ions. Mais ils ne le font pas par hasard. Chaque ion s'efforce d'être stable. Ici, la configuration la plus stable de la couche atomique est celle des gaz rares. Les gaz nobles font partie du huitième groupe principal du tableau périodique. On appelle aussi une telle configuration une configuration de gaz noble.
La couche de valence est la couche périphérique d'un atome. Elle est partiellement ou complètement remplie.
La couche de valence d'un ion est de préférence occupée par huit électrons. Par conséquent, un ion obtient la configuration stable d'un gaz rare. La couche K fait exception à cette règle, car elle ne présente que deux électrons. Cela correspond à la configuration de gaz rare de l'hélium.
Les atomes d'un élément qui présentent un électron dans la couche la plus externe ont tendance à le céder, de sorte que la dernière couche n'a plus d'électrons. Les atomes qui présentent déjà sept électrons dans la couche la plus externe préfèrent donc gagner un électron afin d'en obtenir huit.
L'absorption et la libération des électrons s'effectuent généralement par le biais de réactions chimiques avec d'autres atomes, qui s'efforcent également d'obtenir une configuration de gaz rare.
Niveaux d'énergie
Les couches électroniques sont des orbites suivies par les électrons autour du noyau d'un atome. Elles sont également appelées niveaux d'énergie.
Chaque couche électronique se voit attribuer un nombre en fonction de sa distance par rapport au noyau, appelé nombre quantique principal, \( n \) . Les nombres quantiques principaux commencent à \( 1 \) et augmentent de \( 1 \) à chaque cours. Ainsi, les quatre premiers niveaux d'énergie présentent respectivement les nombres quantiques principaux \( 1, 2, 3 \space et \space 4 \) . Plus le nombre quantique principal est élevé, plus le niveau d'énergie de la couche est élevé et plus, elle est éloignée du noyau.
Les couches de plus haute énergie peuvent également contenir plus d'électrons. La première couche ne peut contenir que deux électrons, mais la deuxième huit et la troisième dix-huit. La règle générale concernant le nombre d'électrons qu'une couche peut contenir est la suivante : \( 2n^2 \) ,
\( n \) est le nombre quantique principal de la couche.
Par exemple, la deuxième couche peut contenir \( 2 \times 2^2 = 8 \) électrons.
Fig.2- Un diagramme montrant les nombres quantiques
Lorsque leur nombre quantique augmente, les couches électroniques s'éloignent du noyau et peuvent contenir plus d'électrons.
Sous-couche électronique
Les couches électroniques sont divisées en sous-couches plus petites qui contiennent elles-mêmes des orbitales. Nous allons d'abord explorer les sous-couches ensemble avant de passer aux orbitales.
Types de sous-couches
Chaque niveau d'énergie, qui est un autre terme pour désigner une couche électronique, contient un certain nombre de sous-niveaux. Ceux-ci sont également appelés des sous-couches. Tu peux considérer les sous-couches comme des mini-divisions au sein de chaque couche ou niveau d'énergie. Les quatre premiers types de sous-couches sont \( s, p, d \space et \space f \) .
Cependant, chaque couche ne contient pas chaque type de sous-couche. Par exemple, la couche la plus proche du noyau avec \( n = 1 \) ne contient qu'une seule sous-couche \( s \) . Nous appelons cette sous-couche \( 1s \) une sous-couche \( s \) . Nous appelons cette couche \( 1s \) . La deuxième couche contient les sous-couches \( 2s et \space 2p \) , tandis que la troisième couche contient \( 3s, 3p \space et \space aussi \space 3d \) .
Niveaux d'énergie des sous-couches
Nous savons que chaque couche d'électrons présente son propre niveau d'énergie. Plus le nombre quantique principal augmente, plus le niveau d'énergie de la couche augmente. De même, chacune des sous-couches d'une même couche présente un niveau d'énergie différent. Les sous-couches \( S \) présentent le niveau d'énergie le plus bas, puis \( p \) , puis \( d \) , puis \( f \) . Mais il faut se rappeler que toutes les sous-couches d'une couche électronique présentent un niveau d'énergie inférieur à celui des sous-couches d'une couche électronique dont le nombre quantique principal est plus élevé. Cela peut sembler un peu confus, mais cela signifie simplement que toutes les sous-couches de la couche d'énergie \( 2 \) , par exemple, présentent un niveau d'énergie inférieur à celui de la couche \( 3 \) . Cependant, il y a une seule exception. La sous-couche \( 3d \) présente un niveau d'énergie supérieur à celui de la couche \( 4s \) , bien qu'elle se trouve dans une couche dont le nombre quantique principal est inférieur.
Fig.3- Couches électroniques - nombre quantique - couches d'énergie
Orbitales des électrons
Chaque sous-couche contient des orbitales. Qu'est-ce qu'une orbitale ? Eh bien, selon le principe d'incertitude d'Heisenberg, il est impossible de savoir exactement où se trouve un électron dans l'espace et où il se dirige à tout moment. Cela semble un peu confus et n'est pas très utile pour les scientifiques, mais nous pouvons au moins faire des prédictions sur l'endroit où un électron est le plus susceptible de se trouver à un moment donné, en observant et en traçant sa position encore et encore pour faire un diagramme approximatif. Bien que nous ne sachions pas où il va, cela nous donne une idée approximative de l'endroit où l'électron va probablement se trouver, la plupart du temps. Ces régions sont appelées orbitales.
Les orbitales sont définies comme des régions de l'espace où les électrons peuvent se trouver \( 95 \% \) du temps.
Les électrons ne sont pas vraiment des particules. Ils se comportent parfois comme des particules et parfois comme des ondes - par exemple, comme des ondes lumineuses. Tout dépend s'ils sont observés ou non. Cela fait partie d'un domaine appelé "mécanique quantique". En \( 1925 \) , Erwin Schrödinger a proposé une équation permettant de prédire la position et l'énergie d'un électron, sur la base de son comportement en tant qu'onde. Cette équation lui a permis de recevoir le prix Nobel de physique en \( 1933 \) .
Regardons l'hydrogène. Tu te souviens que l'hydrogène présente un électron (voir Constitution d'un atome), et si tu traces la position de cet électron encore et encore, tu finiras par obtenir un croquis ressemblant à celui-ci :
Fig.4- L'électron unique de l'hydrogène occupe principalement une région sphérique.
Nous connaissons cette région comme l'orbitale de la sous-couche \( 1s \) . Comme tu peux le voir, cette orbitale est grossièrement sphérique. Examinons de plus près les formes et les propriétés de toutes les autres orbitales.
Formes des orbitales
Les orbitales présentent des formes différentes, en fonction de leur sous-couche. Les orbitales \( S \) sont sphériques, les orbitales \( p \) sont en forme de huit et les orbitales \( d \) peuvent présenter une grande variété de formes.
Fig.5- Un diagramme montrant les formes de l'orbitale s, à gauche, et de l'orbitale p, à droite.
Nombre d'électrons
Toutes les orbitales peuvent contenir un maximum de \( 2 \) électrons. Elles peuvent en présenter moins de \( 2 \) , mais certainement pas plus. Les différentes sous-couches ont également un nombre différent d'orbitales, ce qui influence le nombre d'électrons qu'elles peuvent présenter. Les sous-couches \( S \) ne présentent qu'une seule orbitale, tandis que les sous-couches \( p \) en présentent trois et que la sous-couche \( d \) en présente cinq. Cela signifie que les sous-couches \( s \) peuvent présenter au maximum deux électrons, que les sous-couches \(p \) peuvent en présenter six et que les sous-couches \( d \) peuvent en présenter dix. Ceci est illustré ci-dessous :
Fig.6- Tableau indiquant le nombre d'électrons dans chaque sous-couche.
Tu n'as pas besoin d'aller plus loin au lycée, mais tu seras peut-être intéressé de savoir que les sous-couches \( f \) présentent sept orbitales et peuvent donc contenir jusqu'à \( 14 \) électrons.
Le spin des électrons
Les électrons d'une orbitale doivent présenter des spins opposés.
Le spin est une propriété des électrons qui peut les faire monter ou descendre.
Dans une orbitale, il peut y avoir au maximum un électron de spin supérieur et un électron de spin inférieur.
Énergie orbitale
Les orbitales d'une même sous-couche présentent toutes la même énergie. Cela signifie, par exemple, que les \( 10 \) électrons de la sous-couche \( 3d \) présentent la même énergie les uns par rapport aux autres ; les deux électrons de \( 2s \) présentent la même énergie l'un par rapport à l'autre.
Le diagramme suivant rassemble ce que nous savons sur les couches, les sous-couches, les orbitales et les niveaux d'énergie pour montrer les quantités et les énergies des orbitales jusqu'à \( 4p \) .
Fig.7- Un diagramme montrant les énergies des différentes couches, sous-couches et orbitales des électrons.
Règles de remplissage des couches électroniques
Les électrons remplissent les couches, les sous-couches et les orbitales dans un certain ordre. Ils sont assez tatillons, en fait - ils aiment suivre certaines règles.
La configuration d'électron, également appelée configuration électronique, est la disposition des électrons dans les couches, sous-couches et orbitales de l'atome.
Il existe deux règles principales que tu dois connaître et qui t'aideront à déterminer la configuration électronique d'un atome. Il s'agit de la règle de Hund et du principe d'Aufbau.
Consulte le résumé de cours Configuration électronique pour en savoir plus sur la façon dont les électrons sont disposés dans un atome.
Pour l'instant, sache que la configuration électronique d'un atome détermine sa réactivité et ses propriétés.
Couche électronique - Points clés
- Les électrons sont disposés en couches, également appelées niveaux d'énergie.
- Chaque couche présente un nombre quantique principal.
- Les couches dont le nombre quantique principal est plus élevé sont plus éloignées du noyau et présentent un niveau d'énergie plus élevé.
- Les couches électroniques sont divisées en sous-niveaux appelés sous-couches. Leur niveau d'énergie varie également.
- Les sous-couches contiennent un nombre différent d'orbitales, qui sont des régions de l'espace où un électron peut se trouver \( 95 \% \) du temps.
- Les orbitales ne peuvent contenir que deux électrons au maximum et présentent des formes différentes.
- Les électrons remplissent les couches, les sous-couches et les orbitales dans un certain ordre, appelé configuration électronique d'un élément. Celle-ci détermine les propriétés et la réactivité d'un atome.
- La configuration électronique est la disposition des électrons dans les couches, sous-couches et orbitales de l'atome.
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