Objectif d’apprentissage
- Déterminer la configuration électronique des éléments et des ions, en identifiant la relation entre les coquilles et les sous-coquilles électroniques.
Points clés
- Si l’énergie d’un atome est augmentée, un électron de l’atome est excité. Pour revenir à son état fondamental, l’électron libère de l’énergie. L’énergie de la lumière libérée lorsqu’un électron descend en niveau d’énergie est la même que la différence d’énergie entre les deux niveaux.
- Vu simplement, les électrons sont disposés en coquilles autour du noyau d’un atome. Les électrons les plus proches du noyau auront l’énergie la plus faible. Les électrons plus éloignés du noyau auront une énergie plus élevée. La coquille électronique d’un atome peut accueillir 2n2 électrons (où n est le niveau de la coquille).
- Dans un modèle plus réaliste, les électrons se déplacent dans des orbitales atomiques, ou sous-coquilles. Il existe quatre formes d’orbitales différentes : s, p, d et f. Dans chaque coquille, la sous-coquille s est à une énergie inférieure à celle de la p. Un diagramme orbital est utilisé pour déterminer la configuration électronique d’un atome.
- Il existe des directives pour déterminer la configuration électronique d’un atome. Un électron se déplacera vers l’orbitale ayant la plus faible énergie. Chaque orbitale ne peut contenir qu’une seule paire d’électrons. Les électrons se sépareront autant que possible à l’intérieur d’une coquille.
Termes
- quantificationLe processus d’approximation d’un signal continu par un ensemble de symboles discrets ou de valeurs entières.
- fréquenceLe nombre d’occurrences d’un événement répétitif par unité de temps.
Énergie des électrons dans les orbitales atomiques
La structure centrale d’un atome est le noyau, qui contient des protons et des neutrons. Ce noyau est entouré d’électrons. Bien que ces électrons aient tous la même charge et la même masse, chaque électron d’un atome a une quantité d’énergie différente. Les électrons ayant la plus faible énergie se trouvent le plus près du noyau, où la force d’attraction du noyau chargé positivement est la plus grande. Les électrons qui ont une énergie plus élevée se trouvent plus loin.
Quantification de l’énergie
Lorsque l’énergie d’un atome est augmentée (par exemple, lorsqu’une substance est chauffée), l’énergie des électrons à l’intérieur de l’atome est également augmentée – c’est-à-dire que les électrons sont excités. Pour que l’électron excité revienne à son énergie initiale, ou état fondamental, il doit libérer de l’énergie. L’une des façons dont un électron peut libérer de l’énergie est d’émettre de la lumière. Chaque élément émet de la lumière à une fréquence (ou couleur) spécifique lors du chauffage qui correspond à l’énergie de l’excitation électronique.
Il est utile de penser à cela comme à la montée d’une volée de marches. Si vous ne soulevez pas suffisamment votre pied, vous allez vous cogner contre la marche et rester bloqué au niveau du sol. Vous devez lever votre pied à la hauteur de la marche pour pouvoir avancer. Il en va de même pour les électrons et la quantité d’énergie qu’ils peuvent avoir. Cette séparation des électrons en unités d’énergie est appelée quantification de l’énergie car il n’y a que certaines quantités d’énergie qu’un électron peut avoir dans un atome. L’énergie de la lumière libérée lorsqu’un électron descend d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau d’énergie inférieur est la même que la différence d’énergie entre les deux niveaux.
Coquilles d’électrons
Nous allons commencer par une façon très simple de montrer la disposition des électrons autour d’un atome. Ici, les électrons sont disposés en niveaux d’énergie, ou coquilles, autour du noyau d’un atome. Les électrons qui se trouvent dans le premier niveau d’énergie (niveau 1) sont les plus proches du noyau et ont l’énergie la plus faible. Les électrons plus éloignés du noyau auront une énergie plus élevée. L’enveloppe électronique d’un atome peut accueillir 2n2 électrons, où n est le niveau d’énergie. Par exemple, la première enveloppe peut accueillir 2 x (1)2 ou 2 électrons. La deuxième coquille peut accueillir 2 x (2)2, soit 8 électrons.
À titre d’exemple, le fluor (F), a un numéro atomique de 9, ce qui signifie qu’un atome de fluor neutre possède 9 électrons. Les 2 premiers électrons se trouvent dans le premier niveau d’énergie, et les 7 autres se trouvent dans le deuxième niveau d’énergie.
Orbitales atomiques
Bien que les électrons puissent être représentés simplement comme encerclant le noyau en anneaux, en réalité, les électrons se déplacent le long de chemins beaucoup plus compliqués. Ces chemins sont appelés orbitales atomiques, ou sous-coquilles. Il existe plusieurs formes d’orbitales différentes – s, p, d et f – mais nous nous concentrerons principalement sur les orbitales s et p pour l’instant. Le premier niveau d’énergie ne contient qu’une seule orbitale s, le deuxième niveau d’énergie contient une orbitale s et trois orbitales p, et le troisième niveau d’énergie contient une orbitale s, trois orbitales p et cinq orbitales d. Dans chaque niveau d’énergie, l’orbitale s est à une énergie inférieure à celle des orbitales p.
Un diagramme orbital aide à déterminer la configuration électronique d’un élément. La configuration électronique d’un élément est la disposition des électrons dans les coquilles. Il existe quelques lignes directrices pour travailler sur cette configuration :
- Chaque orbitale ne peut contenir que deux électrons. Les électrons qui se trouvent ensemble dans une orbitale sont appelés une paire d’électrons.
- Un électron essaiera toujours d’entrer dans l’orbitale ayant l’énergie la plus basse.
- Un électron peut occuper une orbitale tout seul, mais il préférera occuper une orbitale de plus basse énergie avec un autre électron avant d’occuper une orbitale de plus haute énergie. En d’autres termes, dans un même niveau d’énergie, les électrons rempliront une orbitale s avant de commencer à remplir des orbitales p.
- La sous-coquille s peut contenir 2 électrons.
- La sous-coquille p peut contenir 6 électrons.
Les configurations électroniques peuvent être utilisées pour rationaliser les propriétés chimiques en chimie inorganique et organique. Elle est également utilisée pour interpréter les spectres atomiques, la méthode utilisée pour mesurer l’énergie de la lumière émise par les éléments et les composés.
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