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Vidéo de la leçon : Niveaux d’énergie des électrons Physique

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à calculer la structure électronique des atomes en nous rendant compte que les électrons sont disposés en niveaux d’énergie autour du noyau d’un atome.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons voir de près comment les électrons sont arrangés dans les atomes. Et comment cet arrangement est responsable des fondamentaux de tout un domaine scientifique, le domaine de la chimie. Mais bien sûr, dans cette vidéo, nous allons prendre du point de vue des physiciens. Alors commençons.

Commençons par rappeler qu’un atome est composé de trois principaux types de particules fondamentales. D’abord, dans le noyau d’un atome, nous savons que les protons et les neutrons sont regroupés. Et pour les besoins de cette vidéo, dans de nombreux cas, nous allons dessiner le noyau comme un gros bloc rose, plutôt que de montrer sa composition en protons et neutrons individuels. D’autre part, nous pouvons rappeler que le noyau est entouré de particules connues sous le nom d’électrons. Ceux-ci sont représentés par ces points bleus ici. Et voilà la structure de base d’un atome. Mais la question est de savoir précisément comment ces électrons entourent le noyau. Sont-ils simplement dispersés de manière aléatoire autour du noyau ? La réponse à cette question est non. L’emplacement exact des électrons dans les atomes est connait des restrictions. Plus précisément, ils sont limités à ce qu’on appelle des couches ou niveaux d’énergie. Eh bien, nous allons représenter les niveaux d’énergie avec ces lignes noires. Et comme nous l’avons dit plus tôt, au sein d’un atome, les électrons ne peuvent être trouvés qu’à ces niveaux d’énergie. Et nous appellerons chacune de ces lignes noires ou plutôt ces cercles noirs un niveau d’énergie ou une couche.

Maintenant, ici sur ce schéma, nous avons dessiné chaque niveau d’énergie comme un cercle. Et chacun de ces cercles est centré autour du noyau. Cependant, dans la vie réelle, ces niveaux d’énergie sont en fait des sphères, car ils existent pas seulement en tant que ces cercles. Mais plutôt, ils sortent de l’écran et y pénètrent également. Mais pour des raisons de commodité, nous les dessinons comme des cercles afin que nous puissions les voir clairement sur une surface bidimensionnelle, comme une feuille de papier ou un écran. Donc, ce que nous pouvons comprendre à partir de ce schéma, c’est que les électrons ne peuvent exister qu’à des distances très spécifiques du noyau. En d’autres termes, dans un atome stable, nous ne trouverons pas d’électron ici, par exemple. Mais nous pourrions trouver un électron à cette distance du noyau, par exemple. Parce qu’à cette distance d’un noyau, l’électron serait à un niveau d’énergie donné.

Maintenant, il y a quelques points clés que nous devons connaitre sur ces niveaux d’énergie. Tout d’abord, nous donnons des noms très spécifiques à ces niveaux d’énergie. Le niveau d’énergie le plus proche du noyau de l’atome s’appelle le premier niveau d’énergie. Le suivant s’appelle le deuxième. Le suivant s’appelle le troisième et ainsi de suite. Il y a un nombre infini de niveaux d’énergie. Mais dans la plupart des schémas, nous ne dessinons que les quelques premiers. La raison pour cela est que le niveau d’énergie le plus proche du noyau, c’est-à-dire le premier niveau d’énergie, est le plus faible en énergie. Et plus on s’éloigne du noyau, plus l’énergie augmente. Maintenant, ce que nous entendons techniquement par cela, c’est que les électrons trouvés dans le niveau d’énergie le plus proche du noyau auront l’énergie la plus basse. Et tout électron trouvé dans un niveau d’énergie situé plus loin aura une énergie plus élevée.

Maintenant, nous devons aussi savoir que les électrons vont tenter d’atteindre le niveau d’énergie le plus bas possible. Et cela afin que l’énergie totale de l’atome soit aussi basse que possible. Rappelons que tout ce qui est se trouve dans notre univers tend vers l’énergie la plus basse possible. Et donc, ce que nous disons ici, c’est que tous les électrons vont essayer d’atteindre le niveau d’énergie le plus bas possible. Mais alors, cela signifie-t-il que chaque électron de l’atome se retrouvera simplement au niveau d’énergie le plus bas ? Eh bien, la réponse à cette question est non. Et il y a une raison très particulière à cela. C’est parce que chaque niveau d’énergie a un nombre maximal d’électrons qu’il peut contenir. Une fois que le niveau d’énergie en question contient ce nombre d’électrons, il est considéré comme plein. Et tous les électrons restants qui ne sont pas trouvés dans ce niveau d’énergie doivent alors remplir le niveau d’énergie au-dessus.

Ainsi, le premier niveau d’énergie, celui le plus proche du noyau, peut contenir jusqu’à deux électrons. Et puis il est plein. Le deuxième niveau d’énergie peut contenir jusqu’à huit électrons. Et puis il est plein. Maintenant, à partir du troisième niveau d’énergie, les choses deviennent un peu plus compliquées, à savoir que huit électrons remplissent le troisième niveau d’énergie avant que le quatrième ne commence à se remplir. Mais le troisième niveau d’énergie peut en fait contenir jusqu’à 18 électrons. Maintenant, nous n’entrerons pas trop dans les détails sur pourquoi les choses deviennent étranges à partir du troisième niveau d’énergie. Mais ce qui est important à réaliser, c’est que les niveaux d’énergie plus éloignés du noyau, par exemple, le troisième niveau d’énergie, peuvent contenir plus d’électrons, par rapport à un niveau d’énergie, disons le premier niveau d’énergie, qui est plus proche du noyau. Ainsi, par exemple, le premier ne peut contenir que deux électrons. Et donc plus on s’éloigne du noyau, plus les niveaux d’énergie peuvent contenir d’électrons.

Dorénavant, la raison pour laquelle chaque niveau d’énergie contient ces nombres particuliers d’électrons n’est pas vraiment importante. Et c’est assez compliqué. Donc, au lieu de cela, ce que nous allons faire, c’est considérer certains atomes neutres et la façon dont les électrons sont organisés au sein de ces atomes. En d’autres termes, nous examinerons ce qu’on appelle la configuration électronique, ce qui n’est qu’une façon sophistiquée de dire la distribution des électrons dans un atome ou une molécule. Et nous penserons à la distribution des électrons dans les atomes. Alors allons-y.

Si nous regardons le tout début du tableau périodique des éléments, nous verrons que l’atome le plus simple possible que nous pouvons trouver est celui de l’hydrogène. Et nous voyons également dans le tableau périodique que le nombre atomique de l’hydrogène est un, où le nombre atomique est le nombre de protons dans le noyau de l’atome en question. Donc, en commençant par un atome d’hydrogène, nous savons qu’il y aura un proton dans le noyau. Et en fait, le nombre de neutrons dans le noyau n’est pas pertinent pour nous actuellement. Et nous verrons pourquoi dans un instant.

Mais commençons par dessiner notre noyau d’hydrogène, qui contient un proton. Maintenant, nous allons envisager un atome d’hydrogène neutre. En d’autres termes, l’atome lui-même n’a aucune charge. Et cela signifie que parce qu’il y a un proton dans le noyau de l’atome d’hydrogène, il doit y avoir un électron dans les niveaux d’énergie entourant ce noyau. Parce que, de cette façon, le nombre de protons à charge positive est égal au nombre d’électrons à charge négative. Et donc la charge globale de l’atome est nulle.

Commençons donc par dessiner quelques niveaux d’énergie autour du noyau d’un atome d’hydrogène, où ces niveaux d’énergie sont les positions que les électrons peuvent occuper autour du noyau. Et puis, comme il y a un proton dans le noyau, nous savons qu’il y aura un électron dans les niveaux d’énergie. Et cet électron se trouvera dans le niveau d’énergie le plus bas possible, qui est le premier niveau d’énergie, celui le plus proche du noyau. Voilà donc la configuration électronique d’un atome d’hydrogène neutre. Parce que nous ne faisons rien à cet atome d’hydrogène, l’électron se trouvera dans le niveau d’énergie le plus bas possible. Où le niveau d’énergie disponible le plus bas est le premier niveau d’énergie ou le plus proche du noyau. Donc voilà un atome d’hydrogène.

Passons maintenant à l’hélium. Le tableau périodique nous indique que l’hélium a un nombre atomique de deux, ce qui signifie qu’il y a deux protons dans le noyau d’un atome d’hélium. Maintenant, la seule raison pour laquelle le nombre de protons dans le noyau est pertinent pour le moment est parce que nous considérons des atomes neutres. Et dans les atomes neutres, le nombre de protons dans le noyau est égal au nombre d’électrons dans les niveaux d’énergie entourant le noyau. Et c’est aussi pourquoi le nombre de neutrons n’est pas pertinent pour nous pour le moment. Parce que quel que soit le nombre de neutrons dans le noyau, le nombre d’électrons dans l’atome neutre ne va pas changer. Mais de toute façon, disons maintenant que l’atome que nous avons dessiné est un atome d’hélium. En d’autres termes, il a deux protons dans son noyau. Et les deux électrons entourant ce noyau se trouveront tous les deux dans le niveau d’énergie le plus bas possible, c’est-à-dire le premier niveau d’énergie. C’est celui qui est le plus proche du noyau. Et par conséquent, voilà la configuration électronique d’un atome d’hélium neutre. Rien de super intéressant ! Mais ensuite, nous arrivons à un atome de lithium.

Cette fois, le lithium a un nombre atomique de trois, ce qui signifie qu’il y a trois protons dans son noyau. Donc, si nous disons que c’est maintenant un atome de lithium, notons trois protons dans le noyau. Alors, pour un atome de lithium neutre, les trois électrons entourant ce noyau seront situés comme suit. Le premier sera au niveau d’énergie le plus proche du noyau. Un autre se trouvera dans le même niveau d’énergie. Mais ensuite, le troisième ne peut pas occuper ce niveau d’énergie. Et cela a pour cause ce que nous pouvons faire un rappel, le nombre maximal d’électrons que le premier niveau d’énergie peut contenir étant de deux. Et donc l’électron restant que nous n’avons pas encore considéré pour cet atome de lithium doit entrer dans le prochain niveau d’énergie disponible, qui est le niveau d’énergie numéro deux. Et à ce stade, le premier niveau d’énergie est complètement rempli car il a deux électrons. Et le deuxième niveau d’énergie commence à être rempli. Et rappelez-vous que le deuxième niveau d’énergie peut contenir jusqu’à huit électrons.

Donc, si nous regardons ensuite le béryllium et le bore et le carbone et l’azote et ainsi de suite, nous voyons qu’un atome de béryllium qui a quatre protons dans son noyau a deux électrons dans sa couche interne et deux autres dans le deuxième niveau d’énergie. En passant au bore qui a cinq protons dans son noyau, celui-ci a à nouveau deux électrons dans la couche interne et trois dans la deuxième couche. Et cela nous donne un total de cinq électrons correspondant aux cinq protons du noyau, nous donnant ainsi un atome de bore neutre. Un atome de carbone neutre a six protons dans son noyau, ce qui signifie deux électrons dans le premier niveau d’énergie et les quatre autres dans le deuxième niveau d’énergie.

L’azote, qui a sept protons dans son noyau, a deux électrons dans le premier niveau d’énergie et cinq dans le deuxième niveau d’énergie, et ainsi de suite. Nous faisons cela jusqu’à atteindre le néon, qui contient 10 électrons au total. Donc, deux électrons dans le premier niveau d’énergie et huit électrons dans le deuxième niveau d’énergie. À ce stade, le premier et le deuxième niveau d’énergie sont tous les deux pleins. Et puis l’élément après le néon, qui aura 11 protons dans le noyau, aura donc deux électrons dans le premier niveau d’énergie, huit électrons dans le deuxième niveau d’énergie. Et puis, l’électron restant commencera à remplir le troisième niveau d’énergie. Et c’est ainsi que nous pouvons déterminer la structure électronique des atomes neutres d’éléments spécifiques.

Et c’est en fait cette structure électronique, cette distribution d’électrons dans les niveaux d’énergie autour du noyau d’un atome, qui détermine le comportement de l’atome en question dans une réaction chimique. Parce que pour certains atomes, la couche la plus externe qui contient des électrons est complètement pleine alors que, pour certains atomes, la couche la plus externe qui contient un électron est presque vide. Et dans d’autres cas, ces couches d’électrons sont presque pleines. Ainsi, chaque type d’atome se comportera différemment dans les réactions chimiques.

Maintenant, chose intéressante, nous avons dit plus tôt que les électrons iront dans les plus bas niveaux d’énergie disponibles. Et c’est ainsi que nous avons calculé les structures électroniques des atomes comme celui-ci. Dans ce cas, nous avons deux électrons dans le niveau d’énergie le plus interne et cinq dans le deuxième niveau d’énergie. Donc, au total, ça fait sept électrons. Et si c’est un atome neutre, alors il y a sept protons dans le noyau, ce qui signifie qu’il s’agit d’un atome d’azote. Maintenant, lorsque la structure électronique est comme celle-ci, lorsque les électrons sont dans les niveaux d’énergie disponibles les plus bas possibles, ces électrons sont dits être à leur état fondamental. Ce qui signifie essentiellement que les électrons ont rempli les niveaux d’énergie, du niveau d’énergie le plus bas au niveau d’énergie numéroté le plus élevé, sans laisser de vide dans aucun des niveaux d’énergie. Et dans ce cas particulier, le niveau d’énergie interne, le premier, est complètement plein. Et alors seulement, le deuxième niveau d’énergie a commencé à se remplir.

Cependant, si nous fournissons de l’énergie à cet atome, les électrons peuvent alors absorber cette énergie et passer à des niveaux d’énergie plus élevés, laissant un espace dans le niveau d’énergie dans lequel ils se trouvaient de sorte que la configuration électronique ne soit plus dans l’état d’énergie le plus bas possible. Alors, que voulons-nous dire par là ? Eh bien, tout d’abord, nous pouvons fournir de l’énergie à ces électrons en exposant un rayonnement de lumière visible sur ces atomes ou, d’ailleurs, toute autre forme de rayonnement électromagnétique. Et chaque électron a la capacité d’absorber un photon de lumière, où un photon n’est en fait qu’une particule de lumière. Et donc dans ce cas, on pourrait dire que cet électron absorbe ce photon. Or, lorsque cela se produit, lorsque l’électron absorbe le photon, l’électron lui-même acquiert l’énergie du photon. Par conséquent, l’électron a maintenant plus d’énergie. Et il ne peut pas rester dans ce niveau d’énergie. Il doit monter à un niveau d’énergie supérieur, par exemple, le niveau d’énergie numéro trois.

Alors, voici notre électron à présent. Et il est remonté au troisième niveau d’énergie. Dans ce cas, nous disons que les autres électrons, ceux qui n’ont pas atteint un niveau d’énergie supérieur, sont toujours à l’état fondamental. Cependant, celui qui est passé à un niveau d’énergie supérieur est dit être dans un état excité. Et cela signifie que nous avons commencé à remplir le troisième niveau d’énergie dans ce cas, sans remplir complètement le deuxième niveau d’énergie. Et comme nous l’avons dit plus tôt, plus le nombre du niveau d’énergie est élevé ou en d’autres termes, plus le niveau d’énergie est éloigné du noyau, plus les électrons auront d’énergie dans ce niveau d’énergie. Et cela a du sens, en effet. L’électron a gagné de l’énergie car il a absorbé un photon. Et un photon est essentiellement un paquet de lumière, qui transporte de l’énergie. Et ainsi, l’énergie supplémentaire du photon lui-même signifie que l’électron est maintenant passé à un niveau d’énergie supérieur.

Maintenant, finalement, après un certain temps, si nous arrêtons le rayonnement sur cet atome, alors l’électron retournera à sa position initiale. Il reviendra au niveau d’énergie inférieur. Mais ce faisant, il perdra de l’énergie car il passera à un niveau d’énergie inférieur. Mais alors, où va cette énergie lorsque l’électron perd l’énergie et revient dans ce cas au niveau deux ? Eh bien, cette énergie est libérée par l’électron. Ou, en d’autres termes, l’électron émet un autre photon. Et libérer ainsi cette énergie permet à l’électron de revenir dans ce cas au niveau deux. Alors, maintenant que nous avons vu les configurations électroniques ainsi que la façon dont les électrons peuvent se déplacer entre les niveaux d’énergie, essayons une question exemple.

Le schéma illustre des électrons dans différentes couches électroniques d’un atome. L’atome est électriquement neutre. A quel élément cet atome correspond-il ?

Alors, dans cette question, on nous a donné un schéma qui montre ce qui semble être le noyau au centre de l’atome ainsi que les niveaux d’énergie électroniques, qui sont représentés en noir. Maintenant, ces niveaux d’énergie électroniques sont également appelés couches. Et nous pouvons voir que ces couches sont occupées par un, deux, trois points bleus représentant des électrons. En d’autres termes, il y a trois électrons dans cet atome.

Maintenant, on nous a dit que cet atome en question est électriquement neutre. Cela signifie que la charge électrique globale sur l’atome est nulle, car il est neutre. Maintenant, pour comprendre l’importance de cela, rappelons que les électrons sont des particules à charge négative. Et que les atomes sont neutres si le nombre d’électrons dans l’atome est égal au nombre de protons à charge positive dans le noyau. Et ce que ce schéma nous dit, c’est qu’il y a trois électrons dans cet atome. Et pour qu’il soit neutre, il doit y avoir trois protons dans le noyau de l’atome. Et puis, nous pouvons nous rappeler qu’un élément est défini par le nombre de protons qui se trouvent dans le noyau d’un atome de cet élément.

Et donc, pour trouver la réponse à notre question, nous devrons regarder le tableau périodique. Plus précisément, nous pouvons rappeler que le tableau périodique des éléments montre tous les éléments disposés par ordre de nombre atomique, où le nombre atomique d’un atome est simplement le nombre de protons dans le noyau de cet atome. Et donc, étant donné que le tableau périodique est organisé par ordre croissant de nombre atomique, nous voulons trouver l’élément dans le tableau périodique qui a un nombre atomique de trois. Parce qu’il y a trois protons dans le noyau de cet atome. Or, l’élément qui a trois protons dans son noyau est le lithium. Et par conséquent, c’est la réponse à notre question.

Alors, maintenant que nous avons répondu à cette question, résumons ce que nous avons vu dans cette leçon. Premièrement, dans cette vidéo, nous avons vu que les électrons dans les atomes se situent autour du noyau et sont répartis en niveaux d’énergie ou couches. Deuxièmement, nous avons vu que les niveaux d’énergie sont numérotés un, deux, trois, quatre, etc., le niveau d’énergie le plus proche du noyau étant la couche un. Troisièmement, nous avons vu que chaque électron occupera le plus bas niveau d’énergie disponible pour minimiser l’énergie globale de l’atome, à moins que nous ne fournissions de l’énergie depuis une source externe. Et cela se fait en soumettant l’atome à un rayonnement de lumière visible ou d’autres formes de rayonnement électromagnétique. Et enfin, nous avons vu la raison pour laquelle tous les électrons ne tombent pas simplement dans le premier niveau d’énergie. C’est parce que chaque niveau d’énergie peut contenir un nombre limité d’électrons. Nous avons également vu que les couches plus éloignées du noyau peuvent contenir plus d’électrons. Par exemple, nous avons vu que le niveau d’énergie le plus proche du noyau, le premier niveau d’énergie, ne peut contenir que deux électrons alors que le second peut contenir jusqu’à huit électrons. Et le troisième peut contenir jusqu’à 18 électrons.

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