Dans cette leçon, nous explorerons le rôle et les caractéristiques des électrons dans le contexte d'un atome. Les électrons sont des particules fondamentales qui jouent un rôle crucial dans la détermination des propriétés chimiques des éléments. En étudiant leur comportement, leur distribution et leur interaction avec d’autres composants atomiques, nous obtenons un aperçu des fondements de la chimie et de la physique.
Les électrons sont des particules subatomiques avec une charge négative, notées \(e^-\) . Ils constituent l’un des trois principaux composants d’un atome, aux côtés des protons et des neutrons. Contrairement aux protons et aux neutrons qui résident dans le noyau de l’atome, les électrons gravitent autour du noyau dans des régions appelées couches électroniques ou niveaux d’énergie. La masse d'un électron est nettement inférieure à celle des protons et des neutrons, environ \(\frac{1}{1836}\) la masse d'un proton. Cette masse minuscule permet aux électrons d’occuper le vaste volume de l’espace d’un atome malgré leur contribution négligeable à la masse de l’atome.
Les électrons sont disposés dans les niveaux ou couches d'énergie de l'atome selon le principe d'exclusion de Pauli, le principe d'Aufbau et la règle de Hund. La configuration la plus stable est obtenue lorsque les électrons remplissent d’abord les niveaux d’énergie les plus bas avant de passer aux niveaux d’énergie les plus élevés. Cet arrangement détermine les propriétés chimiques d’un atome, notamment sa réactivité et sa capacité à former des liaisons avec d’autres atomes.
Par exemple, l’atome d’hydrogène, qui possède un électron, possède cet électron dans sa première couche. L'oxygène, qui possède huit électrons, en possède deux dans sa première couche et six dans sa deuxième.
Les électrons jouent un rôle central dans la formation de liaisons chimiques, interactions qui maintiennent les atomes ensemble dans des molécules ou des composés. Il existe principalement trois types de liaisons chimiques : les liaisons ioniques, covalentes et métalliques, qui impliquent toutes des électrons. Dans une liaison ionique, les électrons sont transférés d’un atome à un autre, ce qui donne naissance à des ions positifs et négatifs qui s’attirent. Les liaisons covalentes impliquent le partage de paires d'électrons entre atomes, tandis que les liaisons métalliques sont formées par le regroupement d'électrons libres de se déplacer dans la structure métallique.
Le concept d'électrons en orbite autour du noyau selon des trajectoires ou orbites définies a été proposé pour la première fois par Niels Bohr. Cependant, la mécanique quantique moderne fournit une description plus précise, en introduisant le concept d’orbitales. Les orbitales sont des régions de l'espace autour du noyau où les électrons sont susceptibles de se trouver. Contrairement aux orbites définies par le modèle de Bohr, la mécanique quantique décrit les positions des électrons en termes de probabilités. Le principe d'incertitude de Heisenberg affirme qu'il est impossible de déterminer simultanément la position et la vitesse exactes d'un électron.
Ce comportement quantique des électrons est crucial pour comprendre les structures complexes des atomes au-delà du plus simple atome d’hydrogène. Les électrons des atomes plus gros occupent un ensemble complexe d’orbitales avec différentes formes et niveaux d’énergie. Il s’agit notamment des orbitales s, p, d et f, chacune ayant une forme caractéristique et une capacité à retenir des électrons.
Les électrons de Valence sont les électrons de la couche la plus externe d'un atome. Ils jouent un rôle important dans la détermination des propriétés chimiques d’un atome et dans sa capacité à interagir avec d’autres atomes. Le nombre d'électrons de valence correspond au numéro de groupe d'un élément dans le tableau périodique pour les blocs s et p. Par exemple, les éléments du groupe 1 ont un électron de valence, tandis que ceux du groupe 18 ont huit électrons de valence (sauf l'hélium, qui en a deux).
La configuration des électrons de valence explique la périodicité observée dans le tableau périodique, où les éléments d'un même groupe présentent des comportements chimiques similaires. En effet, ils ont le même nombre d’électrons de valence, ce qui conduit à des caractéristiques de liaison et à des réactions similaires.
Les électrons peuvent absorber de l’énergie et passer à des niveaux d’énergie plus élevés ou tomber à des niveaux d’énergie plus faibles, émettant de l’énergie sous forme de photons. Ce processus est fondamental pour le phénomène de spectroscopie, où le spectre lumineux émis peut être analysé pour déterminer la composition d'une substance. L'énergie du photon émis ou absorbé lors de cette transition est donnée par l'équation \(E = h\nu\) , où \(E\) est l'énergie du photon, \(h\) est la constante de Planck, et \(\nu\) est la fréquence du photon.
Ce principe est illustré dans le spectre d'émission de l'hydrogène, constitué de plusieurs raies correspondant aux transitions des électrons entre les niveaux d'énergie. Chaque transition libère un photon d'une longueur d'onde spécifique, ce qui donne lieu à un spectre de raies unique à l'hydrogène.
L'expérience du tube cathodique : Il s'agit d'une expérience classique démontrant la présence d'électrons. Lorsqu’un courant électrique traverse un gaz à basse pression dans un tube cathodique, un faisceau visible à l’œil humain est produit. Ce faisceau s'est avéré dévié par des champs magnétiques et électriques, ce qui suggère la présence de particules chargées négativement, identifiées plus tard comme des électrons.
L'expérience des gouttes d'huile : menée par Robert A. Millikan et Harvey Fletcher, cette expérience mesurait la charge d'un seul électron. De minuscules gouttes d’huile étaient suspendues entre deux plaques chargées et leur mouvement sous l’influence d’un champ électrique permettait de calculer la charge de chaque gouttelette. Cette expérience a déterminé que la charge élémentaire était d'environ \(1.60 \times 10^{-19}\) coulombs, établissant la quantification de la charge électrique.
Dans cette leçon, nous avons exploré les aspects fondamentaux des électrons dans le contexte des atomes. De leur répartition dans les niveaux d’énergie à leur rôle dans les liaisons chimiques et le comportement quantique, les électrons sont essentiels à la compréhension de la myriade de propriétés et de réactions des éléments. Savoir comment les électrons interagissent au sein des atomes et avec d’autres atomes jette les bases de vastes domaines de la chimie et de la physique, expliquant tout, de la structure des molécules au comportement des matériaux.
