Présentation

En chimie et en physique, on définit la structure électronique comme la distribution des électrons autour du noyau de l’atome. C’est cette dernière qui est garante de la stabilité de l’atome entre son noyau qui est chargé positivement et son nuage d’électrons autour, qui représente la charge négative de l’atome.

Structure atomique

Ce schéma représente un atome. On peut y voir le noyau en son centre qui se compose de neutrons et de protons, ces derniers étant chargés positivement. Ensuite, il y a le nuage électronique d’électrons qui gravitent autour du noyau avec une charge négative. C’est une balance très précise entre les charges de ces deux parties qui assurent la stabilité du noyau.

Composition du noyau

Le noyau d’un atome se compose d’éléments que l’on appelle les nucléons. Ce sont eux qui définissent le nombre de masse d’un atome.

Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome

Dans ces nucléons se trouvent des protons dont la charge est positive et des neutrons à charge neutre. Ces deux composants sont très fortement liés entre eux.

Le rayon d’un nucléon est d’environ 10-15 m alors que l’atome tout entier a un diamètre avoisinant les 10-10 m.

Stabilité

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.

Il existe trois types de radioactivité.

Radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu 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.

Radioactivité bêta

La radioactivité bêta 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 alpha

La radioactivité alpha 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.

Stabilité du noyau

Certains noyaux qui ont une bonne énergie de liaison restent stables. En réalité, la stabilité n’existe pas vraiment. On considère qu’on atome est stable quand sa demie-vie est égale à 1033 années, soit la durée de vie du proton.

En conclusion, il n’existe aucun noyau qui soit réellement stable à l’échelle de l’Univers. Par exemple, le diamant que nous trouvons tous très solide et stable est instable à l’échelle de la Terre mais stable à l’échelle de l’Homme.

Liaisons

Dans un solide moléculaire les atomes sont liés par des liaisons covalentes : les deux atomes mettent en commun leurs électrons célibataires pour créer un doublet liant.

Quand les deux atomes sont identiques, la paire d’électron qui relie les deux atomes est répartie équitablement entre les deux atomes. On dit alors que la molécule est apolaire.

Quand deux atomes qui mettent leurs électrons en jeu sont différents et qu’il existe une différence d’électronégativité significative entre ces deux atomes, la liaison est dire polarisée et on appelle ce type de molécule, molécule polaire.

Une liaison covalente est dite polarisée si les deux atomes qui sont liés ont des électronégativités très différentes. En effet, dans ce cas, un des deux atomes aura tendance à attirer les électrons, ce qui a pour effet de polariser la liaison. Plus la différence d’électronégativité est grande et plus la polarisation de la liaison sera importante. Il se forme ainsi une sorte de dipôle électrique.
Le décalage des électrons conduit à noter une charge partielle négative δ– sur l’atome le plus électronégatif et une charge partielle positive δ+ sur le moins électronégatif

La stabilité d’un atome repose sur de nombreux paramètres. Dans le cas où un noyau est instable, il est radioactif et selon sa durée de demie-vie, il se désintégrera plus ou moins vite en une autre espèce chimique plus stable.

L’expérience de Van der Waals

Les interactions de Van der Waals sont des interactions faibles inter-moléculaires. Le nom de ces interactions à été donné en l’honneur du physicien Johannes Diderik Van der Waals, prix Nobel de physique.

Dans les solides moléculaires il existe une interaction qui s’exerce entre les molécules appelée interaction de Van der Waals : elle est d’autant plus importante que les liaisons sont polarisées. Les interactions de Van der Waals sont donc des interactions entre dipôles électriques.

Cependant l’interaction de Van der Waals peut s’exercer aussi sur des liaisons et atomes initialement non polarisés mais dont l’environnement (les atomes voisins) provoque une polarisation temporaire.

Les interactions de Van der Waals ne concernent que des atomes se trouvant à une très courte distance. Quand les atomes sont suffisamment proches, les électrons de l’un sont attirés par les électrons de l’autre atome. Cependant si les atomes sont trop rapprochés, l’effet inverse se produit, il y a une sorte de répulsion.

L’interaction de Van der Wall est donc une interaction électrique entre les charges partielles de liaisons ou d’atomes polarisés de manière permanente ou temporaire: elle assure la cohérence des solides moléculaires.

Électronégativité

La stabilité des structures électroniques est aussi impactée par l’électronégativité.

L’électronégativité d’un élément est sa capacité à attirer les électrons lors de la création de liaisons chimiques avec d’autres éléments

On peut trouver l’électronégativité d’un élément grâce à sa position dans le tableau périodique des éléments.
En effet il existe un lien entre la période et l’électronégativité.

Par exemple, en lisant le tableau de gauche à droite, sur une période, l’électronégativité augmente. Il en va de même si on lit le tableau de bas en haut par colonne.

La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque.

Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA

AtomeNuméro atomiqueÉlectronégativité
Hélium12,2
Oxygène83,44
Or792,54
Carbone62,55
Chrome241,66

Les règles du duet et de l’octet

La structure électronique des gaz nobles explique leur stabilité; cette stabilité est recherché par les autres atomes. Au cours des transformations chimiques, les atomes ont tendance à acquérir une structure électronique analogue à celle d’un gaz nobles. Les atomes de numéro atomique voisin de deux cherchent à obtenir la structure électronique en duet de l’hélium. Les autres atomes cherchent à obtenir une structure électronique externe en octet.

Quelques exemples

Les gaz nobles aussi connus sous le nom de gaz rares sont les gaz qui appartiennent au dix-huitième groupe du tableau périodique. Ce sont des gaz monoatomiques et très inertes. Il s’agit de l’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon et le radon.
On les appelle comme ceci car ils sont très peu présents à la surface de la Terre.

Les gaz nobles

Dans l’Univers, les atomes des éléments restent rarement isolés et forment des molécules, des cristaux ioniques … A l’état naturel, seuls des éléments tels que l’hélium, le néon, l’argon… existent à l’état atomique : ils sont appelés gaz nobles, parce qu’ils sont gazeux dans les conditions ordinaires de température et de pression et qu’ils ne réagissent avec quasiment aucune autre espèce chimique.

L’inertie chimique des gaz nobles est due à leur structure électronique externe, en duet ( deux électrons) pour l’hélium et en octet (huit électrons) pour le néon, l’argon, le krypton. Les structures électroniques en duet et en octet sont particulièrement stables.

Charges des ions monoatomiques

De nombreux éléments existent sur Terre à l’état d’ions monoatomiques ayant le même nombre d’électrons que les gaz nobles. Ainsi, le coridon, une variété naturelle d’alumine Al2O3 ,est constitué d’ions Al3+ et oxyde O2-. Un ion aluminium Al3+ ,de numéro atomique Z=13, possède trois électrons de moins qu’un atome d’aluminium, soit 13 – 3 =10 électrons. Un ion oxyde O2- ,de numéro atomique Z = 8 possède deux électrons de plus qu’un atome d’oxygène soit 8 + 2 = 10 électrons. Ces deux ions ont donc une formule électronique dans leur état fondamental analogue à celle du néon : K2 L8. Ils possèdent ainsi un octet d’électrons externes.

A retenir

En perdant x électrons pour acquérir une structure électronique externe en duet ou en octet, un atome A donne un cation Ax+.

En gagnant y électrons pour acquérir une structure électronique externe en duet ou en octet, un atome A donne un anion Ay.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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