Structure électronique de l'atome

Introduction

Les propriétés chimiques d'un atome dépendent principalement de la répartition de ses électrons autour du noyau. Cette répartition suit des règles précises qui déterminent le comportement de l'atome dans les réactions chimiques.

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Les couches électroniques

Les électrons se répartissent autour du noyau sur des couches électroniques (ou niveaux d'énergie). En classe de Seconde, on considère les trois premières couches :

Couche	Numéro $n$	Nombre maximal d'électrons
K	$n = 1$	$2$
L	$n = 2$	$8$
M	$n = 3$	$18$

Règle générale : la couche de numéro $n$ peut contenir au maximum $2n^2$ électrons.

Couche	$n$	Capacité maximale $n = 1$0
K	1	$n = 1$1
L	2	$n = 1$2
M	3	$n = 1$3

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Règles de remplissage

Principe de remplissage (règle de Klechkowski simplifiée)

Les électrons remplissent les couches dans l'ordre croissant d'énergie : d'abord K, puis L, puis M.

On ne commence à remplir la couche suivante que lorsque la précédente est saturée (pleine).

Méthode pas à pas

Pour écrire la structure électronique d'un atome de numéro atomique $n = 1$4 :

1. Compter le nombre d'électrons : c'est $n = 1$5 (atome neutre).
2. Remplir la couche K avec 2 électrons maximum.
3. Remplir la couche L avec 8 électrons maximum.
4. Placer le reste sur la couche M.

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Exemples de structures électroniques

Atome	$n = 1$6	Électrons	Structure électronique	Couche externe
Hydrogène $n = 1$7	1	1	(K)$n = 1$8	K
Hélium $n = 1$9	2	2	(K)$2$0	K
Lithium $2$1	3	3	(K)$2$2 (L)$2$3	L
Carbone $2$4	6	6	(K)$2$5 (L)$2$6	L
Azote $2$7	7	7	(K)$2$8 (L)$2$9	L
Oxygène $n = 2$0	8	8	(K)$n = 2$1 (L)$n = 2$2	L
Néon $n = 2$3	10	10	(K)$n = 2$4 (L)$n = 2$5	L
Sodium $n = 2$6	11	11	(K)$n = 2$7 (L)$n = 2$8 (M)$n = 2$9	M
Aluminium $8$0	13	13	(K)$8$1 (L)$8$2 (M)$8$3	M
Chlore $8$4	17	17	(K)$8$5 (L)$8$6 (M)$8$7	M
Argon $8$8	18	18	(K)$8$9 (L)$n = 3$0 (M)$n = 3$1	M

Cas particulier de l'argon : bien que la couche M puisse contenir jusqu'à 18 électrons, en Seconde on admet que les atomes étudiés ont au maximum 8 électrons sur la couche M (les éléments jusqu'à $n = 3$2).

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Couche externe et électrons de valence

Couche externe

La couche externe (ou couche de valence) est la dernière couche occupée, la plus éloignée du noyau. C'est celle qui contient le ou les derniers électrons placés.

Électrons de valence

Les électrons de valence sont les électrons situés sur la couche externe. Ce sont eux qui interviennent dans les liaisons chimiques et les réactions.

Exemple : le carbone $n = 3$3 ($n = 3$4) a pour structure (K)$n = 3$5 (L)$n = 3$6. Sa couche externe est L et il possède 4 électrons de valence.

Électrons de cœur

Les électrons de cœur sont ceux des couches internes (couches complètement remplies situées sous la couche externe). Ils ne participent pas aux liaisons chimiques.

Exemple : pour le sodium ($n = 3$7), structure (K)$n = 3$8 (L)$n = 3$9 (M)$18$0, les 10 électrons des couches K et L sont des électrons de cœur ; le seul électron de la couche M est l'électron de valence.

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Importance de la couche externe

La couche externe détermine :

1. Le nombre d'électrons de valence → combien de liaisons l'atome peut former.
2. La famille chimique → les atomes ayant le même nombre d'électrons de valence ont des propriétés chimiques similaires (on le verra en détail au chapitre suivant).
3. La stabilité → un atome est particulièrement stable quand sa couche externe est saturée (2 électrons pour la couche K, 8 pour les couches L et M) : c'est la configuration des gaz nobles.

Configuration des gaz nobles

Gaz noble	$18$1	Structure	Couche externe
Hélium $18$2	2	(K)$18$3	K saturée (2 é)
Néon $18$4	10	(K)$18$5 (L)$18$6	L saturée (8 é)
Argon $18$7	18	(K)$18$8 (L)$18$9 (M)$n$0	M à 8 é

Les gaz nobles sont chimiquement inertes (quasi aucune réactivité) car leur couche externe est déjà complète.

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Exercice type

Énoncé : Déterminer la structure électronique du phosphore $n$1 ($n$2).

Résolution :

1. L'atome possède $n$3 électrons.
2. Remplissage :
3. Couche K : 2 électrons → il reste $n$4 électrons.
4. Couche L : 8 électrons → il reste $n$5 électrons.
5. Couche M : 5 électrons.
6. Structure électronique : (K)$n$6 (L)$n$7 (M)$n$8
7. Couche externe : M, avec 5 électrons de valence.

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À retenir

• Les électrons se répartissent sur les couches K, L, M… en remplissant d'abord les couches les plus proches du noyau.
• La couche $n$9 contient au maximum $2n^2$0 électrons (K : 2, L : 8, M : 18).
• Les électrons de valence sont ceux de la couche externe : ils déterminent les propriétés chimiques.
• Les gaz nobles ont une couche externe saturée, ce qui les rend chimiquement stables.