Un modèle de répartition des électrons d'un atome
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• dire que les électrons d'un atome se répartissent sur des couches électroniques K, L, M ;
• appliquer les deux règles de remplissage pour les éléments de Z = 1 à Z = 18 ;
• représenter la répartition par des traits et des points, et écrire la formule électronique d'un atome ;
• distinguer la couche externe des couches internes et dénombrer les électrons externes (électrons de valence) ;
• trouver la structure électronique d'un ion simple.
Prérequis : nombre de charge Z, électroneutralité de l'atome, ion monoatomique, forces électriques.
Situation de départ
Le sel de cuisine contient des ions sodium Na+ : l'atome de sodium (Z = 11) a perdu un de ses 11 électrons. Or personne n'a jamais observé d'ion Na2+ ou Na3+ dans un composé naturel.
De même, l'atome de magnésium (Z = 12) perd facilement 2 électrons, mais pas davantage. Pourquoi certains électrons s'arrachent-ils plus facilement que d'autres ?
I. Les couches électroniques
1. Des électrons plus ou moins liés au noyau
Le noyau, positif, attire les électrons, négatifs : des forces électriques les retiennent autour de lui. Pour arracher un électron, il faut fournir de l'énergie. L'expérience montre que cette énergie n'est pas la même pour tous les électrons d'un atome :
• parmi les 11 électrons du sodium, un seul s'arrache facilement : il est moins lié au noyau que les 10 autres ;
• parmi les 12 électrons du magnésium, deux sont plus faciles à enlever que les autres.
2. Couches ou niveaux d'énergie
Les électrons d'un atome se répartissent sur des couches électroniques, aussi appelées niveaux d'énergie, numérotées n = 1, 2, 3... et désignées par les lettres K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3), N (n = 4)...
Les électrons d'une même couche sont liés au noyau de la même façon. La couche K est la plus proche du noyau : ses électrons sont les plus liés. Plus une couche est éloignée du noyau, plus ses électrons sont faciles à arracher.
II. Les règles de remplissage
Première règle : une couche de numéro n ne peut contenir qu'un nombre limité d'électrons, égal à 2n2 :
• couche K (n = 1) : 2 × 12 = 2 électrons au plus ;
• couche L (n = 2) : 2 × 22 = 8 électrons au plus ;
• couche M (n = 3) : 2 × 32 = 18 électrons au plus.
Une couche qui contient son nombre maximal d'électrons est dite saturée.
Deuxième règle : pour les 18 premiers éléments, on remplit les couches dans l'ordre : d'abord K ; quand K est saturée, on remplit L ; quand L est saturée, on remplit M.
Quand la répartition des électrons respecte les deux règles, l'atome est dans son état fondamental, son état le plus stable.
Le soufre (Z = 16) possède 16 électrons : 2 sur la couche K (saturée), 8 sur la couche L (saturée), et les 16 - 2 - 8 = 6 restants sur la couche M. Vérification : 2 + 8 + 6 = 16.
Ce modèle simple concerne les 18 premiers éléments. Pour le potassium (Z = 19) et le calcium (Z = 20), la couche M s'arrête à 8 électrons et l'on commence à remplir la couche N : K s'écrit (K)2(L)8(M)8(N)1.
III. Représenter la structure électronique
1. Traits et points
On représente chaque couche par un trait horizontal (K en bas, puis L, puis M au-dessus) et chaque électron par un point ; on écrit le nom de la couche en face du trait.
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