Couche électronique

En chimie et en physique atomique, une couche électronique d'un atome est l'ensemble des orbitales atomiques partageant un même nombre quantique principal $n$ ; les orbitales partageant en plus un même nombre quantique azimutal $ℓ$ forment une sous-couche électronique. Les termes couche et sous-couche sont hérités de la théorie des quanta du début du XX^e siècle, et notamment des développements théoriques introduits par Arnold Sommerfeld autour du modèle de Bohr, qui expliquaient la structure fine des raies spectrales de l'atome d'hydrogène et des ions hydrogénoïdes par la quantification des niveaux d'énergie des électrons autour des noyaux atomiques en fonction de nombres quantiques.

Les couches électroniques sont identifiées par leur nombre quantique $n$ , valant 1, 2, 3, etc. ou, historiquement, par les lettres K, L, M, etc. utilisées en spectroscopie des rayons X^[1]. Elles correspondent à une énergie croissante, qui se traduit par un éloignement croissant au noyau atomique. La couche K, pour laquelle $n$ = 1, est la plus proche du noyau, et les couches L, M, N, O, P, Q et R correspondant à $n$ = 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8, s'agencent par distance croissante au noyau de manière concentrique. Chaque couche électronique peut contenir un nombre maximum d'électrons égal à 2 $n$ ² : la couche K peut ainsi contenir jusqu'à 2 électrons, la couche L jusqu'à 8 électrons, la couche M jusqu'à 18 électrons, la couche N jusqu'à 32 électrons, la couche O jusqu'à 50 électrons, la couche P jusqu'à 72 électrons, la couche Q jusqu'à 98 électrons et la couche R jusqu’à 128 électrons^[a].

Si le nombre $n$ ne peut dépasser 7 pour les atomes à l'état fondamental, il peut prendre des valeurs bien plus élevées dans le cas d'atomes excités, comme c'est notamment le cas pour les atomes de Rydberg. Hormis pour les éléments de transition, la couche électronique la plus externe d'un atome est appelée couche de valence ; le nombre d'électrons qui l'occupent détermine les propriétés chimiques de l'atome : les éléments chimiques dont la couche de valence n'est occupée que par un électron — l'hydrogène et les métaux alcalins — sont les plus réactifs, tandis que ceux dont la couche de valence est saturée d'électrons — les gaz nobles — tendent à être chimiquement inertes.

Les couches électroniques, définies par le nombre $n$ , ne permettent pas à elles seules de rendre compte des observations spectroscopiques. Outre le nombre $ℓ$ azimutal, qui permet de distinguer les sous-couches électroniques, les électrons sont également définis par le nombre quantique magnétique $m ℓ$ et le nombre quantique magnétique de spin $m s$ . Ces quatre nombres quantiques ( $n$ , $ℓ$ , $m ℓ$ , $m s$ ) permettent de modéliser la configuration électronique des atomes électriquement neutres à l'état fondamental au moyen de la règle de Klechkowski, de la première règle de Hund et du principe d'exclusion de Pauli ; la distribution des électrons par couches électroniques des éléments chimiques à l'état fondamental est ainsi la suivante :

Élément chimique			Famille d'éléments	Électrons par couche^[2]	Ligne	Colonne (groupe)
1	H	Hydrogène	Non-métal	1	1	I A
2	He	Hélium	Gaz noble	2	1	O
3	Li	Lithium	Métal alcalin	2, 1	2	I A
4	Be	Béryllium	Métal alcalino-terreux	2, 2	2	II A
5	B	Bore	Métalloïde	2, 3	2	III B
6	C	Carbone	Non-métal	2, 4	2	IV B
7	N	Azote	Non-métal	2, 5	2	V B
8	O	Oxygène	Non-métal	2, 6	2	VI B
9	F	Fluor	Halogène	2, 7	2	VII B
10	Ne	Néon	Gaz noble	2, 8	2	O
11	Na	Sodium	Métal alcalin	2, 8, 1	3	I A
12	Mg	Magnésium	Métal alcalino-terreux	2, 8, 2	3	II A
13	Al	Aluminium	Métal pauvre	2, 8, 3	3	III B
14	Si	Silicium	Métalloïde	2, 8, 4	3	IV B
15	P	Phosphore	Non-métal	2, 8, 5	3	V B
16	S	Soufre	Non-métal	2, 8, 6	3	VI B
17	Cl	Chlore	Halogène	2, 8, 7	3	VII B
18	Ar	Argon	Gaz noble	2, 8, 8	3	O
19	K	Potassium	Métal alcalin	2, 8, 8, 1	4	I A
20	Ca	Calcium	Métal alcalino-terreux	2, 8, 8, 2	4	II A
21	Sc	Scandium	Métal de transition	2, 8, 9, 2	4	III A
22	Ti	Titane	Métal de transition	2, 8, 10, 2	4	IV A
23	V	Vanadium	Métal de transition	2, 8, 11, 2	4	V A
24	Cr	Chrome	Métal de transition	2, 8, 13, 1	4	VI A
25	Mn	Manganèse	Métal de transition	2, 8, 13, 2	4	VII A
26	Fe	Fer	Métal de transition	2, 8, 14, 2	4	VII
27	Co	Cobalt	Métal de transition	2, 8, 15, 2	4	VII
28	Ni	Nickel	Métal de transition	2, 8, 16, 2 ou 2, 8, 17, 1^[b]	4	VII
29	Cu	Cuivre	Métal de transition	2, 8, 18, 1	4	I B
30	Zn	Zinc	Métal pauvre	2, 8, 18, 2	4	II B
31	Ga	Gallium	Métal pauvre	2, 8, 18, 3	4	III B
32	Ge	Germanium	Métalloïde	2, 8, 18, 4	4	IV B
33	As	Arsenic	Métalloïde	2, 8, 18, 5	4	V B
34	Se	Sélénium	Non-métal	2, 8, 18, 6	4	VI B
35	Br	Brome	Halogène	2, 8, 18, 7	4	VII B
36	Kr	Krypton	Gaz noble	2, 8, 18, 8	4	O
37	Rb	Rubidium	Métal alcalin	2, 8, 18, 8, 1	5	I A
38	Sr	Strontium	Métal alcalino-terreux	2, 8, 18, 8, 2
39	Y	Yttrium	Métal de transition	2, 8, 18, 9, 2
40	Zr	Zirconium	Métal de transition	2, 8, 18, 10, 2
41	Nb	Niobium	Métal de transition	2, 8, 18, 12, 1
42	Mo	Molybdène	Métal de transition	2, 8, 18, 13, 1
43	Tc	Technétium	Métal de transition	2, 8, 18, 13, 2
44	Ru	Ruthénium	Métal de transition	2, 8, 18, 15, 1
45	Rh	Rhodium	Métal de transition	2, 8, 18, 16, 1
46	Pd	Palladium	Métal de transition	2, 8, 18, 18
47	Ag	Argent	Métal de transition	2, 8, 18, 18, 1
48	Cd	Cadmium	Métal pauvre	2, 8, 18, 18, 2
49	In	Indium	Métal pauvre	2, 8, 18, 18, 3
50	Sn	Étain	Métal pauvre	2, 8, 18, 18, 4
51	Sb	Antimoine	Métalloïde	2, 8, 18, 18, 5
52	Te	Tellure	Métalloïde	2, 8, 18, 18, 6
53	I	Iode	Halogène	2, 8, 18, 18, 7
54	Xe	Xénon	Gaz noble	2, 8, 18, 18, 8
55	Cs	Césium	Métal alcalin	2, 8, 18, 18, 8, 1
56	Ba	Baryum	Métal alcalino-terreux	2, 8, 18, 18, 8, 2
57	La	Lanthane	Lanthanide	2, 8, 18, 18, 9, 2
58	Ce	Cérium	Lanthanide	2, 8, 18, 19, 9, 2
59	Pr	Praséodyme	Lanthanide	2, 8, 18, 21, 8, 2
60	Nd	Néodyme	Lanthanide	2, 8, 18, 22, 8, 2
61	Pm	Prométhium	Lanthanide	2, 8, 18, 23, 8, 2
62	Sm	Samarium	Lanthanide	2, 8, 18, 24, 8, 2
63	Eu	Europium	Lanthanide	2, 8, 18, 25, 8, 2
64	Gd	Gadolinium	Lanthanide	2, 8, 18, 25, 9, 2
65	Tb	Terbium	Lanthanide	2, 8, 18, 27, 8, 2
66	Dy	Dysprosium	Lanthanide	2, 8, 18, 28, 8, 2
67	Ho	Holmium	Lanthanide	2, 8, 18, 29, 8, 2
68	Er	Erbium	Lanthanide	2, 8, 18, 30, 8, 2
69	Tm	Thulium	Lanthanide	2, 8, 18, 31, 8, 2
70	Yb	Ytterbium	Lanthanide	2, 8, 18, 32, 8, 2
71	Lu	Lutécium	Lanthanide	2, 8, 18, 32, 9, 2
72	Hf	Hafnium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 10, 2
73	Ta	Tantale	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 11, 2
74	W	Tungstène	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 12, 2
75	Re	Rhénium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 13, 2
76	Os	Osmium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 14, 2
77	Ir	Iridium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 15, 2
78	Pt	Platine	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 17, 1
79	Au	Or	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 18, 1
80	Hg	Mercure	Métal pauvre	2, 8, 18, 32, 18, 2
81	Tl	Thallium	Métal pauvre	2, 8, 18, 32, 18, 3
82	Pb	Plomb	Métal pauvre	2, 8, 18, 32, 18, 4
83	Bi	Bismuth	Métal pauvre	2, 8, 18, 32, 18, 5
84	Po	Polonium	Métal pauvre	2, 8, 18, 32, 18, 6
85	At	Astate	Métalloïde	2, 8, 18, 32, 18, 7
86	Rn	Radon	Gaz noble	2, 8, 18, 32, 18, 8
87	Fr	Francium	Métal alcalin	2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
88	Ra	Radium	Métal alcalino-terreux	2, 8, 18, 32, 18, 8, 2
89	Ac	Actinium	Actinide	2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
90	Th	Thorium	Actinide	2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
91	Pa	Protactinium	Actinide	2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
92	U	Uranium	Actinide	2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
93	Np	Neptunium	Actinide	2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94	Pu	Plutonium	Actinide	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95	Am	Américium	Actinide	2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96	Cm	Curium	Actinide	2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97	Bk	Berkélium	Actinide	2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98	Cf	Californium	Actinide	2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99	Es	Einsteinium	Actinide	2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100	Fm	Fermium	Actinide	2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101	Md	Mendélévium	Actinide	2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102	No	Nobélium	Actinide	2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103	Lr	Lawrencium	Actinide	2, 8, 18, 32, 32, 8, 3
104	Rf	Rutherfordium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 32, 10, 2
105	Db	Dubnium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 32, 11, 2
106	Sg	Seaborgium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 32, 12, 2
107	Bh	Bohrium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 32, 13, 2
108	Hs	Hassium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 32, 14, 2
109	Mt	Meitnerium	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 15, 2
110	Ds	Darmstadtium	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 16, 2
111	Rg	Roentgenium	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 17, 2
112	Cn	Copernicium	Métal de transition	2, 8, 18, 32, 32, 18, 2
113	Nh	Nihonium	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 18, 3
114	Fl	Flérovium	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 18, 4
115	Mc	Moscovium	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 18, 5
116	Lv	Livermorium	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 18, 6
117	Ts	Tennesse	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
118	Og	Oganesson	Indéterminée	2, 8, 18, 32, 32, 18, 8

Notes et références modifier

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Notes modifier

↑ Les couches O, P et Q ne sont jamais totalement remplies. L'oganesson par exemple, l'élément connu de numéro atomique le plus élevé ( $Z$ = 118), ne comporte que 32 électrons sur la couche O, 18 sur la couche P et 8 sur la couche Q.
↑ Le cas du nickel est ambigu car il présente deux configurations électroniques d'énergies suffisamment proches pour se recouvrir : l'énergie la plus faible de la configuration régulière [Ar] 3d⁸ 4s² est inférieure à l'énergie la plus faible de la configuration irrégulière [Ar] 3d⁹ 4s¹, de sorte qu'elle est souvent retenue dans les manuels, d'autant qu'elle est étayée par les données expérimentales ; c'est cependant la configuration irrégulière qui présente l'énergie moyenne la plus faible des deux, de sorte qu'elle est également retenue pour les calculs sur le nickel.

Références modifier

↑ Jean-Christophe Pain, « Fluorescence X et dénomination K, L, M... des couches électroniques », Bulletin de l'union des physiciens, vol. 112, n^o 1008,‎ novembre 2018, p. 1161-1167 (lire en ligne)
↑ (en) CRC Handbook of Chemistry and Physics, section 1 : Basic Constants, Units, and Conversion Factors, sous-section : Electron Configuration of Neutral Atoms in the Ground State, 84^e édition en ligne, CRC Press, Boca Raton, Floride, 2003.

[2] Les couches O, P et Q ne sont jamais totalement remplies. L'oganesson par exemple, l'élément connu de numéro atomique le plus élevé ( $Z$ = 118), ne comporte que 32 électrons sur la couche O, 18 sur la couche P et 8 sur la couche Q.

[4] Le cas du nickel est ambigu car il présente deux configurations électroniques d'énergies suffisamment proches pour se recouvrir : l'énergie la plus faible de la configuration régulière [Ar] 3d⁸ 4s² est inférieure à l'énergie la plus faible de la configuration irrégulière [Ar] 3d⁹ 4s¹, de sorte qu'elle est souvent retenue dans les manuels, d'autant qu'elle est étayée par les données expérimentales ; c'est cependant la configuration irrégulière qui présente l'énergie moyenne la plus faible des deux, de sorte qu'elle est également retenue pour les calculs sur le nickel.

[1] Jean-Christophe Pain, « Fluorescence X et dénomination K, L, M... des couches électroniques », Bulletin de l'union des physiciens, vol. 112, n^o 1008,‎ novembre 2018, p. 1161-1167 (lire en ligne)

[CRC_Handbook-3] (en) CRC Handbook of Chemistry and Physics, section 1 : Basic Constants, Units, and Conversion Factors, sous-section : Electron Configuration of Neutral Atoms in the Ground State, 84^e édition en ligne, CRC Press, Boca Raton, Floride, 2003.

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