Couche électronique : Tout ce que vous devez savoir pour maîtriser ce concept clé en chimie

Introduction

En chimie et en physique, la couche électronique est un concept fondamental pour comprendre la structure atomique et le comportement des éléments. Cet article explore en détail la définition des couches électroniques, leur organisation, leurs propriétés et leur importance dans la détermination des propriétés chimiques des atomes.

Qu'est-ce qu'une structure électronique ?

La configuration électronique décrit la répartition des électrons autour du noyau atomique et est essentielle pour comprendre la stabilité atomique et les interactions chimiques. 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 vous examinez 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.

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 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, vous pouvez calculer un nombre maximal d'électrons de 2 pour ces couches. Par conséquent, vous n'attribuez que deux électrons, sur les six électrons du carbone, à cette couche. Vous pouvez retrouver ces informations dans le tableau ci-dessous. Dans la première colonne, vous trouverez la période du tableau périodique. La deuxième colonne contient les désignations des couches et la troisième contient le nombre maximal d'électrons correspondant.

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. Les électrons de valence sont les électrons de la couche la plus externe (couche de valence) de l'atome. 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.

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.

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. Vous vous souvenez que l'hydrogène présente un électron (voir Constitution d'un atome), et si vous tracez la position de cet électron encore et encore, vous finirez par obtenir un croquis ressemblant à celui-ci : Nous connaissons cette région comme l'orbitale de la sous-couche (1s). Comme vous pouvez 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.

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 :

Vous n'avez pas besoin d'aller plus loin au lycée, mais vous serez 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).

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 vous devez connaître et qui vous aideront à déterminer la configuration électronique d'un atome. Il s'agit de la règle de Hund et du principe d'Aufbau.

Pour l'instant, sachez que la configuration électronique d'un atome détermine sa réactivité et ses propriétés.

Importance des couches électroniques

La disposition des électrons dans les couches électroniques détermine les propriétés chimiques d'un atome. En particulier, les électrons de la couche de valence (la couche la plus externe) sont responsables de la façon dont un atome interagit avec d'autres atomes pour former des liaisons chimiques.

Stabilité atomique

Les atomes ont tendance à gagner, perdre ou partager des électrons afin d'atteindre une configuration électronique stable, généralement avec une couche de valence complète. Cette tendance est à la base de la formation des liaisons chimiques et de la réactivité des éléments. Pour atteindre une configuration stable similaire aux gaz nobles, les éléments chimiques tendent à compléter leur couche de valence.

Formation d'ions

La formation d'ions monoatomiques est un concept clé en chimie, influencé par la configuration électronique des atomes. Un ion monoatomique est une espèce chimique qui a gagné ou perdu des électrons par rapport à l'atome neutre correspondant, résultant en une charge électrique nette. Les atomes, pour la plupart, ne sont pas stables tel quel. La composition de leur noyau ne pouvant pas changer (à moins de faire une réaction nucléaire), les atomes pour gagner en stabilité doivent copier les atomes qui sont stables. Pour les copier et finalement les imiter, ces atomes « instables » sont obligés de perdre, de gagner ou encore d’échanger des électrons. En effet, c’est comme se déguiser. Pour un atome, se déguiser, c’est modifier le nombre d’électrons qui gravite autour de son noyau. Il ne change pas son noyau, donc il reste le même (le même élément chimique). En premier lieu , les électrons sont rangés dans un atome. Suivant la profondeur de la couche, elle peut contenir plus ou moins d’électrons. on ne remplit la couche suivante que si la précédente est complète c’est à dire saturée d’un point de vue électronique.

Cations : Les atomes qui perdent des électrons forment des cations, qui sont des ions chargés positivement.
Anions : Les atomes qui gagnent des électrons forment des anions, qui sont des ions chargés négativement.

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Définition de la couche électronique : un guide complet