La structure électronique des atomes et des ions simples

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=Introduction=

Comme vous le savez, les atomes sont constitués d'un noyau atomique (constitué de protons et de neutrons) autour duquel gravitent des électrons (si vous avez un trou de mémoire, vous pouvez toujours aller jeter un coup d'oeil sur ce cours).
C'est aux électrons que nous allons nous intéresser.

=Notion de couche électronique=

Les électrons sont répartis dans un atome en ce que les physiciens appellent des __couches électroniques__. Par exemple, un atome d'aluminium a trois couches électroniques : sur la première couche "gravitent" deux électrons, sur la deuxième huit, et sur la troisième trois.
Mais, allez vous me répliquer, on ne peux pas dire qu'un électron est à tel où tel endroit, il y a seulement une certaine probabilité qu'il y soit.
Les couches électroniques d'un atomes sont en fait les endroits où on a le plus de chance de trouver un électron.
(Si vous n'arrivez pas à vous imaginer cela, inutile de s'encombrer l'esprit avec, nous n'en auront pas besoin pour la suite ;))

=Nombre maximal d'électrons=

Sur chaque couche électronique, il ne peut pas y avoir plus d'un certain nombre d'électrons.
__Le nombre maximal d'électrons sur une couche correspond à <math>2N^2</math>, où N est le numéro de la couche étudiée.__
Par exemple, la quatrième couche électronique d'un atome ne peut contenir plus de <math>2N^2</math>, soit 32 électrons.
Autre règle : __La dernière couche électronique, où couche périphérique, ne peut contenir plus de 8 électrons, où plus de 2 s'il s'agit de la première couche - c'est la règle de l'octet.__
Par exemple, la 6ème couche électronique ne peut contenir plus de 72 électrons. Mais s'il s'agit de la dernière couche (c'est à dire qu'il n'y a pas de 7ème couche), elle ne peut contenir plus de 8 électrons.

=Notation=

Les couches sont notées par ordre alphabétique en partant de K : la première couche est la couche K, la seconde couche est la couche L, la troisième la couche M, etc...
Ce qui nous donne :

||! Couche ||! Numéro||! Nombre maximal d'électrons
|| K|| 1|| 2
|| L|| 2|| 8
|| M|| 3|| 18
|| N|| 4|| 32
|| ...|| ...|| ...

La structure électronique d'un atome ou d'un ion simple se note K<math>^a</math>L<math>^b</math>M<math>^c</math>... , où a, b et c sont le nombre d'électrons des couches K, L et M (bien entendu, il peut y avoir plus de couches).

Exemples :
Structure électronique de l'hydrogène : K<math>^1</math>
Structure électronique de l'oxygène : K<math>^2</math>L<math>^6</math>
Structure électronique de l'oxygène : K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^3</math>
Structure électronique du fer : K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^{15}</math>N<math>^1</math>

Si l'on connait le nombre d'électrons d'un atome ou d'un ion simple, il est aisé de reconstituer sa structure électronique : il suffit de remplir les couches une par une (lorsque une est pleine, on passe à la suivante), en s'assurant que la règle de l'octet est bien respectée.
Nous allons reconstituer ensemble la structure électronique du Krypton, gaz rare qui comprend 36 électrons.
On remplit la première couche :
K<math>^2</math>
Il reste 34 électrons à répartir. On passe à la couche suivante :
K<math>^2</math>L<math>^8</math>
La couche L est pleine et il reste 26 électrons à répartir. On passe donc à la couche M :
K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^{18}</math>
La couche M est pleine et il reste 8 électrons à répartir. On passe donc à la couche N :
K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^{18}</math>N<math>^8</math>
Tous les électrons semblent être répartis, on passe donc à la vérification :
- 2+8+18+8 = 36, tout les électrons ont bien été répartis.
- La couche N comprend 8 électrons. La règle de l'octet a donc été respectée.
La structure électronique du Krypton est donc bien :
K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^18</math>N<math>^8</math>

Cette règle simple permet de trouver les structures électroniques à coup sûr pour lorsqu'il y a moins de 18 électrons. Ensuite, els choses se compliquent car il faut tenir compte des sous-couches, correspondant au second nombre quantique. Les règles de remplissage porte alors le nom de règle de Klechkowski, et peuvent être retrouvées en utilisant la classification périodique: dans une même colonne, la couche externe a la même structure, le même nombre d'électron...
 =Exercice=

Donnez la structure électroniques des corps suivants :

||! Nom du corps ||! Nombre d'electrons
|| Azote|| 7
|| Hélium|| 2
|| Sodium|| 11
|| Soufre|| 16
|| Potassium|| 19
|| Baryum|| 56
|| Lawrencium || 103

Tout à fait entre nous, si vous séchez sur le Lawrencium, ce n'est pas grave :d

=Correction=

||! Nom du corps ||! Structure électronique
|| Azote|| K<math>^2</math>L<math>^5</math>
|| Hélium|| K<math>^2</math>
|| Sodium|| K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^1</math>
|| Soufre|| K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^6</math>
|| Potassium|| K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^8</math>N<math>^1</math>
|| Baryum|| K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^18</math>N<math>^27</math>O<math>^1</math>
|| Lawrencium || K<math>^2</math>L<math>^8</math>M<math>^18</math>N<math>^32</math>O<math>^42</math>P<math>^1</math>

Sommaire

1 Introduction
2 Notion de couche électronique
3 Nombre maximal d'électrons
4 Notation
5 Exercice
6 Correction

Introduction

Notion de couche électronique

Les électrons sont répartis dans un atome en ce que les physiciens appellent des couches électroniques. Par exemple, un atome d'aluminium a trois couches électroniques : sur la première couche "gravitent" deux électrons, sur la deuxième huit, et sur la troisième trois.
Mais, allez vous me répliquer, on ne peux pas dire qu'un électron est à tel où tel endroit, il y a seulement une certaine probabilité qu'il y soit.
Les couches électroniques d'un atomes sont en fait les endroits où on a le plus de chance de trouver un électron.
(Si vous n'arrivez pas à vous imaginer cela, inutile de s'encombrer l'esprit avec, nous n'en auront pas besoin pour la suite )

Nombre maximal d'électrons

Sur chaque couche électronique, il ne peut pas y avoir plus d'un certain nombre d'électrons.
Le nombre maximal d'électrons sur une couche correspond à $Formule mathématique$ , où N est le numéro de la couche étudiée.
Par exemple, la quatrième couche électronique d'un atome ne peut contenir plus de $Formule mathématique$ , soit 32 électrons.
Autre règle : La dernière couche électronique, où couche périphérique, ne peut contenir plus de 8 électrons, où plus de 2 s'il s'agit de la première couche - c'est la règle de l'octet.
Par exemple, la 6ème couche électronique ne peut contenir plus de 72 électrons. Mais s'il s'agit de la dernière couche (c'est à dire qu'il n'y a pas de 7ème couche), elle ne peut contenir plus de 8 électrons.

Notation

Les couches sont notées par ordre alphabétique en partant de K : la première couche est la couche K, la seconde couche est la couche L, la troisième la couche M, etc...
Ce qui nous donne :

Couche	Numéro	Nombre maximal d'électrons
K	1	2
L	2	8
M	3	18
N	4	32
...	...	...

La structure électronique d'un atome ou d'un ion simple se note K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$ ... , où a, b et c sont le nombre d'électrons des couches K, L et M (bien entendu, il peut y avoir plus de couches).

Exemples :
Structure électronique de l'hydrogène : K $Formule mathématique$
Structure électronique de l'oxygène : K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$
Structure électronique de l'oxygène : K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$
Structure électronique du fer : K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$ N $Formule mathématique$

Si l'on connait le nombre d'électrons d'un atome ou d'un ion simple, il est aisé de reconstituer sa structure électronique : il suffit de remplir les couches une par une (lorsque une est pleine, on passe à la suivante), en s'assurant que la règle de l'octet est bien respectée.
Nous allons reconstituer ensemble la structure électronique du Krypton, gaz rare qui comprend 36 électrons.
On remplit la première couche :
K $Formule mathématique$
Il reste 34 électrons à répartir. On passe à la couche suivante :
K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$
La couche L est pleine et il reste 26 électrons à répartir. On passe donc à la couche M :
K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$
La couche M est pleine et il reste 8 électrons à répartir. On passe donc à la couche N :
K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$ N $Formule mathématique$
Tous les électrons semblent être répartis, on passe donc à la vérification :
- 2+8+18+8 = 36, tout les électrons ont bien été répartis.
- La couche N comprend 8 électrons. La règle de l'octet a donc été respectée.
La structure électronique du Krypton est donc bien :
K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$ N $Formule mathématique$

Exercice

Donnez la structure électroniques des corps suivants :

Nom du corps	Nombre d'electrons
Azote	7
Hélium	2
Sodium	11
Soufre	16
Potassium	19
Baryum	56
Lawrencium	103

Tout à fait entre nous, si vous séchez sur le Lawrencium, ce n'est pas grave

Correction

Nom du corps	Structure électronique
Azote	K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$
Hélium	K $Formule mathématique$
Sodium	K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$
Soufre	K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$
Potassium	K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$ N $Formule mathématique$
Baryum	K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$ N $Formule mathématique$ O $Formule mathématique$
Lawrencium	K $Formule mathématique$ L $Formule mathématique$ M $Formule mathématique$ N $Formule mathématique$ O $Formule mathématique$ P $Formule mathématique$

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