Couches Électroniques : Explication et Importance dans le Tableau Périodique

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. Chaque électron occupe une orbite, également appelée couche électronique, autour du noyau. Apprenez tout sur les atomes dans cet article !

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.

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.

Organisation des Couches Électroniques

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.

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.

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Les électrons, chargés négativement, orbitent autour du noyau de l'atome. Plus il y a d'électrons, plus le nuage électronique est étendu.

Modèles Atomiques

Le modèle atomique de Bohr a contribué à expliquer la répartition des électrons dans les couches, décrivant comment les électrons occupent d'abord la couche la plus proche avant de remplir les couches extérieures. Cependant, le modèle de Schrödinger, basé sur la mécanique quantique, est plus précis et décrit les probabilités de localisation des électrons dans des "orbitales" plutôt que sur des trajectoires définies.

Cette représentation correspond au modèle de l'atome de Bohr. Les atomes étant beaucoup trop petits pour pouvoir être "vus", ce modèle est une visualisation schématique de la structure atomique.

Nombres Quantiques

Les couches électroniques sont définies par un nombre entier, appelé le nombre quantique principal, noté n = 1, 2, 3... Chaque nombre quantique principal est associé à une lettre, notée K, L, M... Ensuite, il y a le nombre quantique secondaire appelé l. Ces valeurs de l définissent un état. Il existe un troisième nombre quantique : le nombre quantique magnétique, noté m. Ce nombre est plus historique que réel. Il correspond au nombre quantique principal n, mais n'est utilisé que lorsque des champs magnétiques sont en jeu. Il reste à voir le nombre quantique de spin, noté s. En anglais, spin signifie tourner : c'est un nombre quantique pour les électrons. Il ne peut avoir que deux valeurs : -1/2 ou +1/2.

Importance en Chimie

La compréhension des électrons et des couches électroniques est cruciale en chimie, car elle détermine les propriétés chimiques et les liaisons entre les atomes, formant ainsi la base de la matière et de la chimie dans le monde qui nous entoure.

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Couche Externe et Liaisons Covalentes

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.

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.

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.

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Le Modèle de Niels Bohr

Il publia en 1913 un modèle atomique qui mettait en évidence le noyau central autour duquel gravitaient les électrons. Ces électrons avaient la possibilité de passer d’une couche à l’autre.

Les électrons occupent des orbites bien définies, et le modèle de Bohr possède plusieurs caractéristiques :

• Les couches électroniques sont situées à des distances bien définies du noyau et ont des capacités d’accueil électronique également finies.
• La représentation en sous-couches K, L, M est pratique pour exploiter le modèle de Lewis, néanmoins, le modèle le plus intéressant et le plus précis reste celui des orbitales atomiques (ou probabilité de présence d’électrons dans un nuage électronique)
• Cette méthode qui exploite la mécanique quantique fait appel à des nombres appelés nombres quantiques n, l, m, s qui permettent de décrire les nuages électroniques.

Tableau : Nombre Maximal d'Électrons par Couche

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.

État des 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.

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 et Radioactivité

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.

Il existe trois types de radioactivité :

• Radioactivité alpha : Elle est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.
• Radioactivité bêta : Elle est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité - quand c’est un électron qui est émis.
• Radioactivité gamma : Elle est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plus souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.

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