chapitre 2 L’organisation chimique fondamentale de la vie 37
ceux-ci passent à des niveaux énergétiques supérieurs. L’automobile chauffe pendant que les électrons regagnent leur
niveau énergétique initial. Cette énergie thermique peut être
transférée à l’air ou à la main si on touche l’automobile.
La répartition électronique
et les propriétés chimiques
Le comportement chimique d’un atome est déterminé par la
répartition des électrons dans les couches électroniques de
l’atome. En commençant par l’hydrogène, l’atome le plus
simple, nous pouvons représenter les atomes des autres éléments en ajoutant un proton et un électron à la fois (de même
que le nombre approprié de neutrons). La figure 2.9 présente
une version abrégée du tableau périodique des éléments, qui
permet de visualiser la répartition électronique des 18 premiers
éléments, soit de l’hydrogène ( 1 H) à l’argon ( 18 Ar). Ces éléments
figurent sur trois lignes, appelées périodes, correspondant au
nombre de couches électroniques contenues dans leurs atomes.
De gauche à droite, la suite des éléments de chaque ligne
corres pond à l’addition séquentielle d’électrons et de protons.
(Le tableau périodique complet est donné à l’appendice C.)
Comme toute matière, les électrons cherchent à atteindre
l’état d’énergie potentielle le plus bas, ce qui est possible
lorsqu’ils se trouvent dans la première couche électronique.
L’unique électron de l’hydrogène et les deux électrons de
l’hélium, par exemple, occupent la première couche. Or, celle-ci
ne peut contenir plus de deux électrons ; donc, la première
rangée du tableau ne peut contenir plus de deux éléments
(l’hydrogène et l’hélium). Quand il possède plus de deux électrons, un atome doit utiliser des couches électroniques supérieures, la première étant saturée. L’élément suivant, le lithium,
a trois électrons : deux électrons remplissent sa première
couche, et le troisième est localisé dans sa deuxième couche.
Cette dernière peut contenir un maximum de huit électrons.
Quant au néon, qui se situe à la fin de la deuxième ligne, il
compte huit électrons dans sa seconde couche ; cet élément a
donc 10 électrons au total.
Un atome a des propriétés chimiques qui dépendent principalement du nombre d’électrons présents dans sa couche périphérique, appelée dernier niveau énergétique. Ces électrons
s’appellent électrons de valence ou électrons périphériques. Le lithium, par exemple, qui a deux couches, possède
seulement un électron de valence. Les atomes qui ont le même
nombre d’électrons dans leur dernier niveau énergé tique
affichent un comportement chimique semblable. Par exemple,
le fluor (F) et le chlore (Cl) possèdent tous deux sept électrons
de valence, et chacun d’eux peut se combiner au sodium et
former des composés (voir la figure 2.3). Par ailleurs, un atome
dont le dernier niveau énergétique est saturé ne réagit
pas spontanément avec d’autres atomes. À l’extrême droite
du tableau périodique se trouvent l’hélium, le néon et l’argon ;
il s’agit des trois seuls éléments présentés à la figure 2.9 dont le
dernier niveau énergétique est saturé. Ils sont dits inertes en
raison de leur stabilité chimique. Tous les autres atomes de
la figure 2.9 ont la capacité de réagir chimiquement, parce que
leur dernier niveau énergétique est insaturé.
Les orbitales électroniques
Au début des années 1900, les scientifiques percevaient les
couches électroniques comme des trajectoires concentriques
décrites par les électrons se déplaçant autour du noyau, un
peu comme les orbites des planètes tournant autour du Soleil.
Aujourd’hui, on se sert encore des cercles concentriques à
deux dimensions, comme dans la figure 2.9, pour illustrer les
couches électroniques tridimensionnelles, mais il faut se rappeler que chaque anneau concentrique ne représente que la
distance moyenne entre un électron occupant cette couche
et le noyau autour duquel il gravite. Par conséquent, les schémas d’anneaux concentriques ne donnent en rien une représentation réelle d’un atome. En fait, il est impossible de
connaître la trajectoire exacte d’un électron. Par contre, nous
pouvons déterminer le volume de l’espace dans lequel il passe
la majeure partie de son temps. L’espace tridimensionnel où
l’électron passe 90 % de son temps s’appelle orbitale.
Chaque couche électronique contient des électrons dans un
niveau énergétique particulier, distribués parmi un nombre
déterminé d’orbitales de formes et d’orientations particu lières.
La figure 2.10 (page 39) illustre en exemple les orbi tales du
néon accompagné de son schéma de répartition électronique
en référence. On peut se représenter une orbitale comme une
composante d’une couche électronique. La première couche
électronique a une seule orbitale de forme sphérique, qui
s’appelle 1s, mais la deuxième couche a quatre orbitales : une
grande orbitale sphérique s (appelée 2s) et trois orbi tales p
(appelées 2p) qui ont la forme d’haltères. La troisième couche
électronique, ainsi que les couches supérieures, possède
également des orbitales s et p, en plus d’orbitales de formes
plus complexes.
Une même orbitale ne peut contenir plus de deux électrons.
La première couche électronique peut donc loger un maximum
m Figure 2.8 Les niveaux énergétiques des électrons. Les électrons
occupent certains niveaux déterminés d’énergie potentielle appelés
couches électroniques.
Noyau
Troisième couche (niveau
énergétique le plus élevé
dans ce modèle)
Deuxième couche
(niveau énergétique
plus élevé)
Première couche (niveau
énergétique le plus bas)
Énergie
absorbée
Énergie
perdue
(a) Une balle qui rebondit de marche
en marche dans un escalier
constitue une bonne analogie
pour les niveaux énergétiques
des électrons, puisque la balle
ne peut s’arrêter que sur
les marches.
(b) Un électron peut passer d’une couche à une autre uniquement si l’énergie
qu’il gagne ou qu’il perd correspond exactement à la différence d’énergie
entre les niveaux des deux couches. Les flèches dans ce modèle indiquent
quelques-uns des changements possibles de niveaux d’énergie potentielle.
ceux-ci passent à des niveaux énergétiques supérieurs. L’automobile chauffe pendant que les électrons regagnent leur
niveau énergétique initial. Cette énergie thermique peut être
transférée à l’air ou à la main si on touche l’automobile.
La répartition électronique
et les propriétés chimiques
Le comportement chimique d’un atome est déterminé par la
répartition des électrons dans les couches électroniques de
l’atome. En commençant par l’hydrogène, l’atome le plus
simple, nous pouvons représenter les atomes des autres éléments en ajoutant un proton et un électron à la fois (de même
que le nombre approprié de neutrons). La figure 2.9 présente
une version abrégée du tableau périodique des éléments, qui
permet de visualiser la répartition électronique des 18 premiers
éléments, soit de l’hydrogène ( 1 H) à l’argon ( 18 Ar). Ces éléments
figurent sur trois lignes, appelées périodes, correspondant au
nombre de couches électroniques contenues dans leurs atomes.
De gauche à droite, la suite des éléments de chaque ligne
corres pond à l’addition séquentielle d’électrons et de protons.
(Le tableau périodique complet est donné à l’appendice C.)
Comme toute matière, les électrons cherchent à atteindre
l’état d’énergie potentielle le plus bas, ce qui est possible
lorsqu’ils se trouvent dans la première couche électronique.
L’unique électron de l’hydrogène et les deux électrons de
l’hélium, par exemple, occupent la première couche. Or, celle-ci
ne peut contenir plus de deux électrons ; donc, la première
rangée du tableau ne peut contenir plus de deux éléments
(l’hydrogène et l’hélium). Quand il possède plus de deux électrons, un atome doit utiliser des couches électroniques supérieures, la première étant saturée. L’élément suivant, le lithium,
a trois électrons : deux électrons remplissent sa première
couche, et le troisième est localisé dans sa deuxième couche.
Cette dernière peut contenir un maximum de huit électrons.
Quant au néon, qui se situe à la fin de la deuxième ligne, il
compte huit électrons dans sa seconde couche ; cet élément a
donc 10 électrons au total.
Un atome a des propriétés chimiques qui dépendent principalement du nombre d’électrons présents dans sa couche périphérique, appelée dernier niveau énergétique. Ces électrons
s’appellent électrons de valence ou électrons périphériques. Le lithium, par exemple, qui a deux couches, possède
seulement un électron de valence. Les atomes qui ont le même
nombre d’électrons dans leur dernier niveau énergé tique
affichent un comportement chimique semblable. Par exemple,
le fluor (F) et le chlore (Cl) possèdent tous deux sept électrons
de valence, et chacun d’eux peut se combiner au sodium et
former des composés (voir la figure 2.3). Par ailleurs, un atome
dont le dernier niveau énergétique est saturé ne réagit
pas spontanément avec d’autres atomes. À l’extrême droite
du tableau périodique se trouvent l’hélium, le néon et l’argon ;
il s’agit des trois seuls éléments présentés à la figure 2.9 dont le
dernier niveau énergétique est saturé. Ils sont dits inertes en
raison de leur stabilité chimique. Tous les autres atomes de
la figure 2.9 ont la capacité de réagir chimiquement, parce que
leur dernier niveau énergétique est insaturé.
Les orbitales électroniques
Au début des années 1900, les scientifiques percevaient les
couches électroniques comme des trajectoires concentriques
décrites par les électrons se déplaçant autour du noyau, un
peu comme les orbites des planètes tournant autour du Soleil.
Aujourd’hui, on se sert encore des cercles concentriques à
deux dimensions, comme dans la figure 2.9, pour illustrer les
couches électroniques tridimensionnelles, mais il faut se rappeler que chaque anneau concentrique ne représente que la
distance moyenne entre un électron occupant cette couche
et le noyau autour duquel il gravite. Par conséquent, les schémas d’anneaux concentriques ne donnent en rien une représentation réelle d’un atome. En fait, il est impossible de
connaître la trajectoire exacte d’un électron. Par contre, nous
pouvons déterminer le volume de l’espace dans lequel il passe
la majeure partie de son temps. L’espace tridimensionnel où
l’électron passe 90 % de son temps s’appelle orbitale.
Chaque couche électronique contient des électrons dans un
niveau énergétique particulier, distribués parmi un nombre
déterminé d’orbitales de formes et d’orientations particu lières.
La figure 2.10 (page 39) illustre en exemple les orbi tales du
néon accompagné de son schéma de répartition électronique
en référence. On peut se représenter une orbitale comme une
composante d’une couche électronique. La première couche
électronique a une seule orbitale de forme sphérique, qui
s’appelle 1s, mais la deuxième couche a quatre orbitales : une
grande orbitale sphérique s (appelée 2s) et trois orbi tales p
(appelées 2p) qui ont la forme d’haltères. La troisième couche
électronique, ainsi que les couches supérieures, possède
également des orbitales s et p, en plus d’orbitales de formes
plus complexes.
Une même orbitale ne peut contenir plus de deux électrons.
La première couche électronique peut donc loger un maximum
m Figure 2.8 Les niveaux énergétiques des électrons. Les électrons
occupent certains niveaux déterminés d’énergie potentielle appelés
couches électroniques.
Noyau
Troisième couche (niveau
énergétique le plus élevé
dans ce modèle)
Deuxième couche
(niveau énergétique
plus élevé)
Première couche (niveau
énergétique le plus bas)
Énergie
absorbée
Énergie
perdue
(a) Une balle qui rebondit de marche
en marche dans un escalier
constitue une bonne analogie
pour les niveaux énergétiques
des électrons, puisque la balle
ne peut s’arrêter que sur
les marches.
(b) Un électron peut passer d’une couche à une autre uniquement si l’énergie
qu’il gagne ou qu’il perd correspond exactement à la différence d’énergie
entre les niveaux des deux couches. Les flèches dans ce modèle indiquent
quelques-uns des changements possibles de niveaux d’énergie potentielle.