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Fiche explicative de la leçon : Niveaux d’énergie des électrons Physique

Dans cette fiche explicative, nous apprendrons comment déterminer si une couche d’électrons d’un atome est remplie, et quelles transitions d’électrons sont possibles dans un atome donné.

Un atome est constitué de trois types de particules:les protons, les neutrons et les électrons. Les neutrons et les protons forment ensemble le noyau, tandis que les électrons sont à l’extérieur de celui-ci. Le schéma ci-dessous illustre un atome.

Le point rose sur ce graphique représente le noyau dans son ensemble, et les points bleus autour de lui sont des électrons. Ce schéma, et tous les schémas suivants, ne sont pas à l’échelle:les électrons sont beaucoup plus petits que les noyaux atomiques, et la distance entre eux est plus grande que ce qui pourrait tenir sur la page.

Pour simplifier, ces schémas sont électriquement neutres, sauf indication contraire. Cela signifie que pour chaque électron, il y aura un proton, de sorte que vous pourrez déterminer de quel atome il s’agit en comparant les électrons au nombre atomique. Par exemple, le schéma ci-dessus a 2 électrons, donc c’est l’élément avec le numéro atomique 2, l’hélium.

Regardons un exemple.

Exemple 1: Détermination de l’élément en comptant les électrons d’un atome électriquement neutre

Le schéma montre les électrons dans différentes couches d’électrons dans un atome. L’atome est électriquement neutre. A quel élément correspond cet atome?

Réponse

Cet atome est électriquement neutre, ce qui signifie que pour chaque électron, il y a un proton. Il y a 3 électrons, ce qui signifie que l’atome possède 3 protons, donc l’élément possède un nombre atomique de 3.

D’après le tableau périodique, le lithium a le numéro atomique 3.

Donc, il s’agit d’un atome de lithium.

Si, au lieu d’être électriquement neutre, l’atome dans l’exemple ci-dessus avait une charge de1 , alors cela voudrait dire qu’il a un électron de plus qu’il n’a de protons. Puisqu’il y a trois électrons, cela signifie qu’il aurait deux protons, ce qui en ferait un atome d’hélium.

Sur ces schémas, les électrons forment un anneau autour du noyau. Ces anneaux sont en réalité très spécifiques et représentent la couche dans laquelle les électrons sont situés. Chaque couche, également appelée niveau d’énergie, ne peut gérer qu’une certaine quantité d’électrons avant d’avoir à passer dans une couche plus externe, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.

Couche / Niveau d’énergieÉlectrons
12
28
318
432

Les couches d’électrons sont aussi appelées niveaux d’énergie des électrons parce que l’énergie des électrons qu’elles contiennent varie d’une couche à l’autre. Les électrons dans la couche la plus interne sont les moins énergétiques, et ceux dans la couche la plus externe sont les plus énergétiques.

Regardons un exemple.

Exemple 2: Nombre d’électrons dans les différentes couches d’électrons

Le schéma illustre des électrons dans différentes couches d’électrons dans un atome. Les quatre premières couches d’électrons de l’atome sont remplis.

  1. Laquelle des couches d’électrons contient le plus d’électrons?
  2. Laquelle des couches d’électrons contient le moins d’électrons?

Réponse

Partie 1

Le nombre de chaque couche nous indique à quel point la couche est proche du noyau. La couche 1 est la plus proche, et la couche 4 la plus éloignée. Nous pouvons compter les électrons individuels pour déterminer leur nombre, mais nous pouvons également voir que lorsque le nombre de couches augmente, le nombre d’électrons dans chacune augmente également.

L’anneau le plus interne, la couche 1, contient 2 électrons. La prochaine, la couche 2, en contient 8;la couche 3 en a 18;et la couche 4 en a 32.

La couche d’électrons qui contient le plus d’électrons est la couche 4.

Partie 2

La couche d’électrons qui contient le moins d’électrons est celle qui est la plus proche du noyau, la couche 1.

Généralement, les électrons occupent le niveau d’énergie le plus bas, remplissant proprement les couches de l’intérieur vers l’extérieur. Lorsque tous les électrons d’un atome remplissent les plus bas niveaux d’énergie possibles, on dit que l’atome est à l’état fondamental.

Il est possible de forcer temporairement des électrons spécifiques a avoir un niveau d’énergie plus élevé en les exposant à de la lumière. Lorsque les électrons sont dans un niveau d’énergie plus élevé que l’état fondamental, nous disons qu’ils sont dans un état excité. Cela signifie qu’il est possible qu’un électron de se trouve dans une couche supérieure avant qu’un niveau d’énergie inférieur ne soit complètement rempli. Le schéma ci-dessous illustre un atome d’hélium neutre dans ses états fondamental et excité.

Regardons un exemple.

Exemple 3: Les électrons dans des états excités autour d’un atome de néon

Le schéma illustre un atome de néon électriquement neutre. Combien d’électrons dans l’atome sont dans des états excités?

Réponse

Commençons par compter le nombre total d’électrons et en considérant combien d’entre eux seraient à l’état fondamental. Il y en a 2 dans le premier niveau d’énergie, 6 dans le deuxième et 2 dans le troisième. Il y a un total de 10 électrons.

Pour être à l’état fondamental, les 10 électrons doivent d’abord remplir la couche la plus interne, qui peut en contenir 2. Il nous reste donc 8 électrons.

Les 8 rempliront complètement le deuxième niveau d’énergie, donc à l’état fondamental, il ne devrait pas y avoir d’électrons dans la troisième couche. On voit qu’il y en a 2, alors ces 2 électrons dans la troisième couche doivent être excités.

Il y a 2 électrons dans des états excités, ceux dans le troisième niveau d’énergie.

Lorsqu’il n’y a pas d’électrons excités, les niveaux d’énergie se remplissent de l’intérieur vers l’extérieur. Cela signifie qu’avant que la deuxième couche ne puisse commencer à se remplir, il doit y avoir une premier couche pleine.

Les couches ne sont pas pleines si elles ne contiennent pas le nombre maximal d’électrons autorisés dans leur couche. Cela signifie que si la première couche n’a qu’un seul électron, elle n’est pas pleine, car elle peut en contenir au maximum 2.

Regardons un exemple.

Exemple 4: Remplir des couches d’électrons

Le schéma illustre les électrons dans différentes couches d’électrons dans un atome. La couche la plus extérieure n’est pas pleine. Combien d’électrons de plus l’atome peut-il avoir dans sa couche la plus externe?

Réponse

Lorsque la question dit couche la plus externe, cela signifie uniquement la couche la plus externe qui contient réellement des électrons. Cela signifie que nous ne cherchons pas à remplir la troisième ou la quatrième couche.

Nous savons que la première couche peut en contenir 2 et la deuxième couche peut en contenir 8. En regardant ce schéma, la première couche est pleine, mais la deuxième couche contient seulement 7 électrons. Elle peut contenir exactement 1 électron de plus avant d’être pleine.

La réponse est 1 électron.

Pour être excité, un électron peut absorber un photon, qui est une particule de lumière. L’énergie du photon est transférée à l’électron, l’amenant à monter à un niveau d’énergie différent. Des photons d’énergie plus élevée font transiter les électrons vers des niveaux d’énergie plus élevés.

Pour faire la transition entre deux niveaux d’énergie spécifiques, l’énergie du photon doit être égale à la différence d’énergie entre les niveaux d’énergie. Le schéma ci-dessous montre un photon dont l’énergie est égale à la différence entre le premier et le troisième niveau d’énergie étant absorbé par un électron.

L’absorption de photons provoque la transition de l’électron du premier niveau d’énergie au troisième. Cependant, les électrons ne peuvent pas rester dans des états excités longtemps, et ils reviennent à l’état fondamental après un certain temps, comme indiqué sur le schéma ci-dessous.

Un photon est émis lorsque l’électron passe du troisième niveau d’énergie au premier niveau d’énergie. L’énergie de ce photon qui sort est presque identique à celle du photon qui l’a excité en premier lieu.

Regardons quelques exemples.

Exemple 5: Transition électronique dans un atome d’hydrogène

Le schéma illustre un atome d’hydrogène. L’électron montre des transitions entre deux niveaux d’énergie de l’atome.

  1. A quel niveau d’énergie l’électron est-il initialement?
  2. Vers quel niveau d’énergie l’électron transite-t-il?

Réponse

Partie 1

Les niveaux d’énergie sont comptés à partir de l’intérieur. Nous voyons que l’électron est initialement au niveau le plus externe, le quatrième anneau depuis le centre.

L’électron est initialement dans le quatrième niveau d’énergie.

Partie 2

Le niveau d’énergie vers lequel transite l’électron est indiqué par la flèche et pointe vers le deuxième anneau depuis le centre.

L’électron passe au deuxième niveau d’énergie.

Exemple 6: Déterminer la plus grande énergie de photons lors de la transition d’électrons

Chacun des schémas suivants illustre un atome d’hydrogène qui est initialement dans un état excité. Dans chaque cas, l’électron passe d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau d’énergie inférieur, émettant un photon. Dans quel cas l’énergie du photon émis est-elle la plus grande?

Réponse

Les électrons dans les niveaux d’énergie plus élevés ont une énergie plus élevée que ceux dans les niveaux d’énergie inférieurs. Lorsqu’un électron passe à un état inférieur, un photon est émis, dont l’énergie est égale à la différence d’énergie entre les niveaux d’énergie entre lesquels il transite.

Cela signifie que la transition d’un niveau d’énergie plus élevé vers un état fondamental (telle que de la couche 3 à la couche 1) produit un photon d’énergie plus élevée que la transition d’un état de départ inférieur (de 2 à 1).

Dans le cas A, nous voyons un photon étant émis après la transition des électrons du niveau d’énergie 3 au niveau d’énergie 1. L’énergie du photon est également représentée par sa longueur d’onde:des longueurs d’onde plus courtes correspondent à des énergies plus élevées.

Dans le cas B, on voit un photon émis lorsque l’électron passe de la couche 2 à la couche 1. Cela produit un photon de grande longueur d’onde avec une énergie plus faible que le cas A, donc il ne peut pas être celui-ci.

Dans le cas C, l’électron passe du niveau d’énergie 4 au niveau d’énergie 1, le plus loin possible. Le photon émis est de courte longueur d’onde et d’énergie supérieure par rapport au cas A, qui n’est passé que de 3 à 1.

Le cas où le photon émis a la plus grande énergie est donc C.

Les électrons qui deviennent excités et qui passent à des niveaux d’énergie plus élevés doivent toujours obéir à la limite du nombre d’électrons qui peuvent entrer dans une couche donnée.

Regardons un exemple.

Exemple 7: Transition électronique dans un atome avec des couches pleines

Le schéma illustre un atome électriquement neutre. Si l’un des électrons de la couche la plus interne devait absorber un photon et transiter vers un état excité, alors vers laquelle des couches d’électrons sur le schéma pourrait-il transiter?

Réponse

Un électron excité est capable de transiter vers un niveau d’énergie non plein plus élevé, alors nous devons savoir lesquels sont les couches pleines et lesquelles ne le sont pas. Rappelons le tableau qui indique combien d’électrons sont autorisés dans chaque niveau d’énergie.

Couche / Niveau d’énergieÉlectrons
12
28
318
432

L’électron qui devient excité transite à partir de la couche la plus interne, qui est pleine avec ses 2 électrons.

La couche 2, le deuxième anneau depuis le centre, est pleine de 8 électrons. Elle ne peut plus accepter davantage d’électrons.

La couche 3 n’a que 10 électrons, ce qui est inférieur à sa capacité totale de 18. Comme la couche 2 est pleine, l’électron excité dans la couche 1 devra passer directement à la couche 3 sans passer par la couche 2.

La réponse est la couche 3.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Les électrons peuvent être trouvés autour d’un noyau et sont disposés en couches, ou niveaux d’énergie.
  • Les niveaux d’énergie des électrons sont numérotés, les niveaux plus élevés ayant plus d’énergie.
  • Les électrons sont dans le niveau d’énergie le plus bas possible, sauf s’ils sont excités par un photon.
  • Chaque niveau d’énergie a une limite au nombre d’électrons qu’il peut contenir, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.
    Couche / Niveau d’énergieÉlectrons
    12
    28
    318
    432
  • Plus la différence entre des niveaux d’énergie est grande, plus l’énergie du photon nécessaire à la transition entre ces niveaux est grande.

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