Que sont les couches électroniques ?

Les couches : des strates d’électrons

Les électrons autour d’un noyau se trouvent dans des couches, aussi appelées niveaux d’énergie, qui fonctionnent un peu comme les étages d’un immeuble. La première couche est la plus proche du noyau et la plus basse en énergie, et chaque couche suivante est plus éloignée et plus haute en énergie.

Les couches sont numérotées 1, 2, 3, etc., en s’éloignant du noyau, et elles portent aussi des noms de lettres : K, L, M et N pour les quatre premières. Le numéro de période d’un élément indique combien de couches ses atomes utilisent ; le sodium, en période 3, a des électrons sur trois couches.

Combien d’électrons tiennent dans chaque couche

Chaque couche peut contenir un nombre maximal d’électrons, donné par la formule 2n², où n est le numéro de la couche. La première couche en contient 2 × 1² = 2, la deuxième 2 × 2² = 8, la troisième 2 × 3² = 18 et la quatrième 2 × 4² = 32.

Les électrons remplissent d’abord la couche de plus basse énergie, et lorsqu’une couche est pleine, l’électron suivant commence une nouvelle couche plus éloignée. Les 2 électrons de l’hélium remplissent la première couche ; le troisième électron du lithium doit donc aller dans la deuxième couche, ce qui donne l’arrangement 2, 1.

Le schéma 2-8-8 pour les 20 premiers éléments

Pour les 20 premiers éléments, une règle simple donne l’arrangement des électrons : placez 2 électrons sur la première couche, jusqu’à 8 sur la deuxième, jusqu’à 8 sur la troisième, et ceux qui restent sur la quatrième. Le carbone (6 électrons) est 2, 4. Le sodium (11) est 2, 8, 1. Le chlore (17) est 2, 8, 7. L’argon (18) est 2, 8, 8.

La troisième couche pourrait contenir 18 électrons, pourtant le potassium (19) est 2, 8, 8, 1 et le calcium (20) est 2, 8, 8, 2, car la première partie de la quatrième couche est légèrement plus basse en énergie que le reste de la troisième. À partir du scandium (21), les électrons recommencent à remplir la troisième couche ; la règle 2-8-8 ne fonctionne donc que jusqu’au calcium.

Dessiner un schéma de Bohr

Un schéma de Bohr est un croquis rapide des couches d’un atome. Dessinez un petit cercle pour le noyau avec le symbole de l’élément à l’intérieur, puis un anneau pour chaque couche, et placez les électrons sur les anneaux sous forme de points.

Exemple résolu : le sodium. Son numéro atomique est 11 ; un atome de sodium neutre a donc 11 électrons. Placez-en 2 sur le premier anneau, il en reste 9. Placez-en 8 sur le deuxième anneau, il en reste 1, et ce dernier électron est seul sur le troisième anneau. Le schéma indique 2, 8, 1.

Pourquoi la couche externe est importante

Les électrons de la couche la plus externe, les électrons de valence, déterminent la façon dont un atome réagit. Les atomes dont la couche externe est pleine, comme le néon (2, 8) et l’argon (2, 8, 8), ne réagissent presque pas. Le lithium (2, 1), le sodium (2, 8, 1) et le potassium (2, 8, 8, 1) ont chacun un seul électron externe qu’ils perdent facilement ; tous trois sont donc des métaux réactifs.

Le modèle de Bohr et ses limites

Le physicien danois Niels Bohr a proposé ce modèle en 1913. Il a suggéré que les électrons parcourent des orbites fixes d’énergies fixes et émettent de la lumière lorsqu’ils passent d’une orbite supérieure à une orbite inférieure. Cela expliquait les couleurs précises de la lumière émise par l’hydrogène gazeux incandescent, un grand succès à l’époque.

Le modèle a toutefois ses limites. Il ne prédit correctement que la lumière de l’hydrogène et des autres atomes à un électron, et les électrons ne tournent pas vraiment autour du noyau comme les planètes autour du Soleil. Dans le modèle quantique moderne, chaque électron occupe une orbitale, une région où il a de fortes chances de se trouver, et chaque couche est divisée en sous-couches appelées s, p, d et f. C’est toujours un outil pratique pour compter les électrons, à condition de se rappeler qu’il est simplifié.