Couche et sous-couche électronique : Définition et caractéristiques

Les électrons et les couches électroniques sont des composantes fondamentales de la structure atomique. Les électrons, chargés négativement, orbitent autour du noyau atomique, constitué de protons et de neutrons. La répartition des électrons dans ces couches influence les propriétés chimiques et les liaisons atomiques.

Structure de l'atome

L’atome est composé d’un noyau, formé par des nucléons. Les nucléons sont composés de protons et de neutrons. Les électrons, quant à eux, gravitent autour du noyau. Il y a autant d’électrons que de protons au sein d’un atome.

La découverte de l'atome fut l'une des plus grandes découvertes bouleversant notre monde scientifique. La connaissance de son existence a donc permis d'aboutir à une autre grande découverte : l'énergie nucléaire.

Caractéristiques des atomes

Les atomes sont les unités de base de la matière. Ils se composent d'un noyau central, formé de protons (chargés positivement) et de neutrons (sans charge), entouré par des électrons (chargés négativement) en orbite dans des couches électroniques. Les atomes diffèrent par leur nombre de protons, déterminant leur élément chimique, et par leur configuration électronique, influençant leurs propriétés chimiques.

• Isotopes: On appelle atomes isotopes les ensembles d'atomes caractérisés par le même numéro atomique Z et des nombres de nucléons A différents. Ce sont donc des ensembles d'atomes qui ne diffèrent que par le nombre de leurs neutrons.
• Taille d'un atome: Elle est infiniment petite. Le diamètre d'un atome vaut en moyenne 10^-1 nm (1nm = 10^-9 m ). Le diamètre du noyau vaut en moyenne 10^-6 nm. Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome. Entre les électrons et le noyau, il n'y a que du vide. On parle de la structure lacunaire de l'atome.
• Masse d'un atome: La masse des électrons est négligeable devant celle du noyau. On dit que la masse d'un atome est concentrée dans son noyau.
• Charge électrique d'un atome: C'est la somme de la charge électrique + des particules du noyau et celle - des électrons. Cette somme est nulle : on dit que l'atome est électriquement neutre. Les charges électriques étant les même, il y a autant d'électrons qui gravitent autour du noyau que de particules le constituant. Exemple : L'atome de fer a 26 électrons et 26 particules + dans son noyau

Stabilité de l'atome

Pour que le noyau et les électrons restent stables entre eux, ils sont donc liés par une énergie de liaison. Si ils ne sont pas bien liés entre eux, les atomes deviennent instables et se transforment. Ils sont donc radioactifs.

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Comprendre les électrons

Un électron est une particule subatomique présente dans les atomes, portant une charge négative. Il orbite autour du noyau atomique, composé de protons et de neutrons, et détermine les propriétés chimiques de l'élément. Les électrons participent aux liaisons chimiques et sont essentiels dans la formation de molécules et de matière.

Les électrons sont des particules plusieurs milliers de fois plus petites que les nucléons, portant une charge élémentaire négative (-e = -1,6×10^-19 coulomb) et de masse me= 9,1 x 10^-31 kg (environ mille fois plus léger qu’un nucléon). Les électrons font partie des composants des atomes et des ions.

Un atome est toujours électriquement neutre ce qui signifie que les charges positives sont compensées par les charges négatives. Or un électron porte une charge qui est exactement l’opposée de celle d’un proton donc il y a autant d’électrons que de protons. Le numéro atomique (Z) d’un élément chimique indique donc à la fois le nombre de protons et le nombre d’électrons. Exemple : l’atome de phosphore à comme numéro atomique Z = 15 donc son noyau comporte 15 protons et comme il est neutre il possède aussi 15 électrons.

L’état énergétique d’un électron ne peut pas varier continuellement mais seulement par sauts discontinus entre des états stables définis. Les électrons sont ainsi répartis par « couches » appelées couches électroniques que l’on représente souvent comme des couches concentriques et qui se nomment K, L, M.

Les couches électroniques

Chaque électron occupe une orbite, également appelée couche électronique, autour du noyau. Ces couches sont organisées en niveaux d'énergie successifs, numérotés de l'intérieur vers l'extérieur, de manière croissante. La première couche, la plus proche du noyau, peut contenir jusqu'à 2 électrons. La deuxième couche, 8 électrons, et ainsi de suite.

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On sait donc que les électrons qui tournent autour du noyau d’un atome ou d’un ion ne se répartissent pas de manière aléatoire mais occupent des couches d’énergies différentes. Dans l’ordre croissant d’énergie et d’éloignement aux noyaux ces couches sont notées K, L M. La couche K peut contenir 2 électrons tandis que les couches L et M peuvent en recevoir 8.

Les électrons commencent d’abord par remplir les premières couches avant d’occuper les suivantes. La couche K est donc la première couche à être remplie. C’est elle qui se trouve le plus près du noyau. C’est une couche ou les électrons ont tendance à être dans un état très stable. La couche L peut accueillir 8 électrons. C’est une couche un peu moins stable que la couche K. La couche M peut aussi accueillir 8 électrons et est encore un peu moins stable que la couche précédente.

Notion de couche externe

La couche électronique externe est la dernière couche de l’atome contenant des électrons. L’étude de cette couche est très importante car c’est elle qui donne le nombre de liaisons covalente qu’un atome peut réaliser et elle permet également d’avoir des informations sur la réactivité.

Étude de la structure électronique

Elle permet de décrire la répartition des électrons dans les différentes couches d’un atome ou d’un ion. Les couches comportant des électrons sont désignées par leur lettre, notées entre parenthèses et accompagnée en exposant du nombre d’électrons qu’elles comportent. Exemple : La structure électronique de l’atome de magnésium est ( K )²( L )⁸( M )². Cela signifie que l’atome a 2 électrons dans sa première couche K, 8 électrons sur la couche suivante L et 2 électrons sur la couche M qui n’est donc pas complète.

Comment écrire la structure électronique d'un atome ?

Il faut dans un premier temps connaître le nombre total d’électrons que possède cet atome ce qui est indiqué par son numéro atomique Z. Ensuite, il suffit d’écrire la première couche et d’y placer les 2 premiers électrons. S’il reste des électrons ils sont ensuite placés sur la couche L. Si la couche L est complète alors les électrons restant sont notés sur la couche M.

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Exemple de l’atome d’aluminium. L’atome d’aluminium a comme numéro atomique Z = 13 ce qui signifie qu’il possède un total de 13 électrons. Les deux premiers électrons viennent compléter la première couche que l’on note ( K )².

Sous-couche électronique

Les couches électroniques sont divisées en sous-couches plus petites qui contiennent elles-mêmes des orbitales. 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. Les quatre premiers types de sous-couches sont s, p, d et 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 2p, tandis que la troisième couche contient 3s, 3p et aussi 3d.

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. Les orbitales sont définies comme des régions de l'espace où les électrons peuvent se trouver 95 % du temps. 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.

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.

Tableau récapitulatif des couches électroniques

Les couches O à Q ne sont jamais complètement remplies. Les éléments existants présentent tout simplement trop peu d'électrons pour cela.

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