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Un atome, comme tu t'en souviens dans les particules fondamentales, contient un noyau plein de protons et de neutrons. Ce noyau est extrêmement petit et extrêmement lourd. Si notre atome avait la taille d'un stade de football, le noyau n'aurait que la taille d'une bille. La plus grande partie de l'atome est constituée d'espace vide, mais notre atome contient également des électrons, qui orbitent autour du noyau dans ce que l'on appelle des coques. Ces enveloppes d'électrons sont un élément important de la configuration des électrons et de la structure atomique, et jouent un rôle dans la détermination de la réactivité d'un atome ou d'un ion. Mais qu'est-ce que c'est exactement ?
Lesenveloppes d'élect rons sont des trajectoires orbitales suivies par les électrons autour du noyau d'un atome. On les appelle aussi niveaux d'énergie.
Chaque enveloppe d'électrons se voit attribuer un numéro 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 fois, de sorte que les quatre premiers niveaux d'énergie ont respectivement les nombres quantiques principaux 1, 2, 3 et 4. Plus le nombre quantique principal est élevé, plus le niveau d'énergie de la coquille est élevé et plus elle est éloignée du noyau.
Les coquilles d'énergie plus élevée peuvent également contenir plus d'électrons. La première enveloppe ne peut contenir que deux électrons, mais la deuxième en contient huit et la troisième dix-huit. La règle générale pour le nombre d'électrons qu'une coquille peut contenir est 
, où n est le nombre quantique principal de la coquille. Par exemple, la deuxième enveloppe peut contenir 
électrons.
Fig. 1 - Diagramme montrant le lien entre les nombres quantiques et la distance par rapport au noyau. Plus leur nombre quantique augmente, plus les coques d'électrons s'éloignent du noyau et plus elles peuvent contenir d'électrons
Que sont les sous-coquilles d'électrons ?
Les enveloppes d'électrons sont divisées en sous-enveloppes plus petites qui contiennent elles-mêmes des orbitales. Nous allons d'abord explorer les sous-coquilles ensemble avant de passer aux orbitales.
Types de sous-coquilles
Chaque niveau d'énergie, dont tu te souviendras qu'il s'agit d'un autre terme pour désigner une coquille d'électrons, contient un certain nombre de sous-niveaux. Celles-ci sont également appelées sous-coquilles. Tu peux considérer les sous-coquilles comme des mini divisions à l'intérieur de chaque coquille ou niveau d'énergie. Les quatre premiers types de sous-coquilles sont s, p, d et f.
Cependant, toutes les coquilles ne contiennent pas chaque type de sous-coquille. Par exemple, la coquille la plus proche du noyau avec n = 1 ne contient qu'une sous-coquille s. Nous appelons cette sous-coquille 1s. Nous appelons cette sous-coquille 1s. La deuxième coquille contient les sous-coquilles 2s et 2p, tandis que la troisième coquille contient 3s, 3p et également 3d.
Niveaux d'énergie des sous-coquilles
Nous savons que chaque coquille d'électrons possède son propre niveau d'énergie. À mesure que le nombre quantique principal augmente, le niveau d'énergie de la coquille augmente. De même, chaque sous-coquille à l'intérieur d'une coquille a également un niveau d'énergie différent. Les sous-coquilles S ont le niveau d'énergie le plus bas, puis p, puis d, puis f. Mais tu dois te rappeler que toutes les sous-coquilles d'une coquille d'électrons ont un niveau d'énergie plus bas que les sous-coquilles d'une coquille d'électrons dont le nombre quantique principal est plus élevé. Cela peut sembler un peu confus, mais cela signifie simplement que toutes les sous-coquilles de l'enveloppe énergétique 2, par exemple, ont un niveau d'énergie inférieur à celui de l'enveloppe 3. Il y a cependant une exception. La sous-coquille 3d a un niveau d'énergie plus élevé que 4s, bien qu'elle se trouve dans une coquille dont le nombre quantique principal est inférieur.
Fig. 2 - Coquilles d'électrons nombre quantique énergie coquilles StudySmarter
Que sont les orbitales des électrons ?
Chaque sous-coquille contient des orbitales. Qu'est-ce qu'une orbite ? 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 aux 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 son emplacement encore et encore pour en 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 se trouvera probablement, la majorité du temps. Ces zones sont appelées orbitales.Les orbitales sont définies comme des régions de l'espace où les électrons se trouvent 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 trouvé une équation qui nous aide à prédire l'emplacement et l'énergie d'un électron, en se basant sur son comportement en tant qu'onde. Cette équation lui a permis de recevoir le prix Nobel de physique en 1933.
Prenons l'exemple de l'hydrogène. Tu te souviendras que l'hydrogène possède un électron (voir Structure atomique), et si tu repères l'emplacement de cet électron encore et encore, tu finiras par obtenir un croquis ressemblant à celui-ci :
Fig. 3 - L 'électron unique de l'hydrogène occupe principalement une région sphérique.
Nous appelons cette région l'orbitale de la sous-coquille 1s. Comme tu peux le voir, cette orbitale est à peu près sphérique. Examinons de plus près les formes et les propriétés de toutes les autres orbitales.
Formes orbitales
Lesorbitales ont des formes différentes, en fonction de leur sous-coquille. Les orbitales S sont sphériques, les orbitales p sont en forme de huit et les orbitales d peuvent avoir des formes variées.
Fig. 4 - 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 contenir moins, mais certainement pas plus. Les différentes sous-coquilles ont également un nombre différent d'orbitales, ce qui influe sur le nombre d'électrons qu'elles peuvent contenir. Les sous-capsules S n'ont qu'une seule orbitale, les sous-capsules p en ont trois et la sous-capsule d en a cinq. Cela signifie que les sous-coquilles s peuvent contenir au maximum deux électrons, les sous-coquilles p peuvent en contenir six et les sous-coquilles d peuvent en contenir dix. Ce tableau est illustré ci-dessous :
Fig. 5 - Tableau indiquant le nombre d'électrons dans chaque sous-coquille.
Tu n'as pas besoin d'aller plus loin au niveau A, mais tu seras peut-être intéressé de savoir que les sous-coquilles f ont sept orbitales et peuvent donc contenir jusqu'à 14 électrons.
Le spin des électrons
Les électrons d'une orbite doivent avoir 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 avec un spin vers le haut et un autre avec un spin vers le bas. (Explore davantage le spin dans Comprendre la RMN).
Énergie orbitale
Lesorbitales d'une même sous-coquille ont toutes la même énergie. Cela signifie, par exemple, que les 10 électrons de la sous-coquille 3d ont la même énergie l'un que l'autre ; les deux électrons de la sous-coquille 2s ont la même énergie l'un que l'autre.
Le diagramme suivant rassemble ce que nous savons sur les coquilles, les sous-coquilles, les orbitales et les niveaux d'énergie pour montrer les quantités et les énergies des orbitales jusqu'à 4p.
Fig. 6 - Diagramme montrant les énergies des différentes coquilles, sous-coquilles et orbitales des électrons. N'oublie pas que chaque orbitale peut contenir jusqu'à deux électrons.
Configuration des électrons
Lesélectrons remplissent les coquilles, les sous-coquilles et les orbitales dans un certain ordre. Ils sont assez pointilleux, en fait - ils aiment suivre certaines règles. Jette un coup d'œil à la rubrique Configuration des électrons pour en savoir plus sur la façon dont les électrons sont disposés dans un atome, mais pour l'instant, tu dois savoir que la configuration des électrons d'un atome détermine sa réactivité et ses propriétés.
Coquilles d'électrons - Ce qu'il faut retenir
Les électrons sont disposés dans des coques, également appelées niveaux d'énergie. Chaque enveloppe a un nombre quantique principal. Les coques ayant un nombre quantique principal plus élevé sont plus éloignées du noyau et ont un niveau d'énergie plus élevé.
Les coquilles d'électrons sont divisées en sous-niveaux appelés sous-coquilles. Celles-ci varient également en termes de niveau d'énergie.
Les sous-coquilles contiennent un nombre différent d' orbitales, qui sont des régions de l'espace où un électron peut se trouver dans 95 % des cas. Les orbitales ne peuvent contenir que deux électrons au maximum et ont des formes différentes.
Les électrons remplissent les coquilles, les sous-coquilles et les orbitales dans un certain ordre, connu sous le nom de configuration électronique d'un élément. Cette configuration détermine les propriétés et la réactivité d'un atome.
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