Seconde Première S Terminale S Tout Niveau
Partager

Etude des électrons et des couches électroniques

Par Yann le 21/02/2018 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Structure de la matière > Les Électrons et les Couches Électroniques

Rappel : composition d’un 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.

L’atome est constitué d’un certain nombre d’électrons, qui se trouvent donc autour du noyau, le noyau représentant pratiquement toute la masse de l’atome.

Il y a autant d’électrons que de protons au sein d’un atome.

Les électrons

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.

Nombre d’électron dans un atome

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 proton et comme il est neutre il possède aussi 15 électrons.

Etat 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.

Le saviez-vous ? Pourquoi les couches électroniques commencent-elles à être nommées à partir de la lettre K et non, par exemple, à partir de la lettre A ?

  • Un peu d’histoire…

L’atome d’hydrogène a été un modèle d’étude important car il s’agit de l’atome le plus simple. L’atome d’hydrogène peut absorber ou émettre des quantités d’énergie bien définies : cela correspond au passage de l’atome d’un niveau d’énergie à un autre.

Le saut d’énergie se manifeste alors par une raie d’émission dans le spectre de l’atome. C’est le scientifique Balmer qui découvrit ces transitions dans le visible, en premier. Puis Paschen découvrit des transitions dans l’infrarouge et Lyman dans l’ultraviolet.

Cependant, ces scientifiques se doutaient bien qu’il pouvait exister d’autres transitions plus loin vers l’infrarouge ou vers l’ultraviolet. Ainsi les termes K, L, M furent donnés pour ne pas commencer au début de l’alphabet et avoir une marge de noms dans les deux sens !

Etude des couches électroniques des atomes et des ions

Le modèle de Niels Bohr

Niels Bohr est un physicien danois, lauréat du prix Nobel de physique en 1922.

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.

Qui a proposé un modèle atomique permettant de représenter les couches électroniques ? Niels Bohr, prix Nobel de physique en 1922 pour son travail sur la mécanique quantique.

Pour aller plus loin 

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.

Les couches électroniques

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.

Pour aller plus loin : la couche M peut recevoir en réalité 18 électrons mais le programme de chimie se limite à 8, qui correspond aux trois premières lignes de la classification périodique.

Comment représente-t-on la configuration électronique d'un atome ? La structure électronique d’un élément peut se schématiser par des couches concentriques appelées K, L, M.

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.

Etude 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.

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.

Il reste ensuite 13 – 2 = 11 électrons: les 8 électrons suivants viennent compléter la couche L ce qui donne ( K )2( L )8.
Il reste 13 – 2 – 8 = 3 électrons qui appartiennent donc à la couche M.

La configuration électronique de l’atome d’aluminium est donc ( K )2( L )8( M )3.

Quelle est la structure électronique de l'aluminium ? L’aluminium possède 13 électrons qui se répartissent sur les couches électroniques K, L et M.

Configuration de quelques atomes

Cas du Néon (Z = 10)

Les deux premiers électrons viennent compléter la couche L : K2

Ensuite, il reste : 10-2 = 8 électrons à répartir. Ces 8 électrons complètent entièrement la couche suivante, L. On a donc la configuration suivante : K2L8

On peut remarquer que le Néon, qui est un gaz noble, possède ses deux couches électroniques saturées : il ne peut plus gagner ou perdre d’électron, il est stable.

Cas du carbone (Z =6)

Les deux premiers électrons vont se placer sur la couche L puis les 4 suivants (puisque 6-2 = 4) vont se placer sur la couche M. On a donc comme configuration : K2L4

Le carbone possède 4 électrons sur sa couche externe.

Cas d’un ion, l’ion sodium Na+ (sodium Z = 11)

Pour le sodium, sous sa forme ionisée Na+, il a perdu un électron, son numéro atomique est donc de 11-1 = 10

Les deux premiers électrons remplissent la première couche électronique L puis les 8 autres électrons remplissent la couche M comme pour le Néon : K2L8

Le sodium Na+ a donc obtenu la configuration électronique que le gaz rare le plus proche.

Cas du magnésium (Z = 12)

Les deux premiers électrons se placent sur la couche K. Il reste encore (12-2 = 10) 10 électrons à placer.

8 électrons viennent saturer la couche L. Il reste alors (10-8 = 2) 2 électrons qui vont se placer sur la couche la plus externe, la couche M.

La configuration de l’atome de magnésium est donc la suivante : K2L8M2.

Note :  le magnésium peut être ionisé deux fois en Mg2+, cela signifie que le magnésium peut perdre 2 électrons de sa couche externe M pour obtenir une configuration plus stable, celle du gaz rare le plus proche, c’est à dire le néon de configuration K2L8.

Cas du soufre (Z = 16)

Les deux premiers électrons vont remplir la couche L. Les 8 électrons suivants vont ensuite remplir la couche M. Il reste 16-(2+8) = 6 électrons.

Les 6 électrons restants vont remplir la couche M qui est la couche la plus externe

La configuration de l’atome de soufre est donc K2L8M6.

Les résultats sont compilés dans le tableau suivant :

ElementConfiguration
Carbone (Z = 6)K(2)L(4)
Néon (Z = 10)K(2)L(8)
Sodium (Z = 11)K(2)L(8)M(1)
Magnésium (Z = 12)K(2)L(8)M(2)
Soufre (Z = 16)K(2)L(8)M(6)

Pour accéder à la suite du cours et améliorations inscrivez-vous

Partager

Nos lecteurs apprécient cet article
Cet article vous a-t-il apporté les informations que vous cherchiez ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (moyenne de 4,06 sur 5 pour 33 votes)
Loading...

Poster un Commentaire

avatar
plus récents plus anciens plus de votes
miche
Invité

Comment trouver la répartition des électrons d’un atome ?

Clément
Editor

Bonjour Michelle,

Pour se faire, vous pouvez vous référer au tableau périodique des éléments. La répartition des électrons dans l’atome est liée aux couches électroniques de ce dernier.

Cissé
Invité

C’est a dire K 2 L 8 M 8 et N 2 alors que la couche M doit contenir 18ē

Clément
Editor

Bonjour Cissé,

Il n’est pas nécessaire de remplir entièrement la couche M avant de commencer à remplir la couche N.
(voir les différents états d’oxydation du fer)

Alibel
Invité

Que se passe t-il si un atome perd un électron de sa dernière couche, le nombre de protons diminue t-il ? puisque la règle est que le nombre d’électrons est égal au nombre de protons. Merci.

Alves
Invité

il ne perd pas de protons. Il devient un ion (positif s’il perd un electron ou négatif s’il en gagne un