L'atome n'est pas la sphère pleine que l'on imagine parfois. C'est un objet à structure interne, et comprendre cette structure est la clé pour expliquer toutes les propriétés chimiques.
Le modèle de Bohr (point de départ)
Niels Bohr a proposé en 1913 un modèle planétaire : le noyau est au centre, les électrons gravitent autour sur des couches discrètes. Chaque couche a une capacité maximale :
- couche K (n = 1) : 2 électrons
- couche L (n = 2) : 8 électrons
- couche M (n = 3) : 18 électrons
- couche N (n = 4) : 32 électrons
Les électrons remplissent d'abord les couches les plus internes. Pour le sodium (Na, Z = 11), on a 11 électrons : (K)² (L)⁸ (M)¹.
Ce modèle suffit à comprendre pourquoi les éléments du même groupe ont des propriétés similaires : ils ont le même nombre d'électrons sur leur couche externe (couche de valence).
Du modèle planétaire au modèle quantique
Le modèle de Bohr fonctionne pour l'hydrogène, mais s'effondre pour les atomes plus lourds. La réalité expérimentale (spectres d'émission, énergies d'ionisation) demande un modèle plus fin : la mécanique quantique.
Dans ce modèle, l'électron n'a plus de trajectoire définie. On parle d'orbitale atomique : une région de l'espace où la probabilité de présence de l'électron est élevée. Les orbitales se classent par :
- nombre quantique principal n (taille, énergie) : 1, 2, 3...
- nombre quantique secondaire ℓ (forme) : s, p, d, f
- nombre quantique magnétique mₗ (orientation)
- spin mₛ : +1/2 ou −1/2
La configuration électronique
Le principe de Pauli interdit à deux électrons d'avoir les quatre mêmes nombres quantiques. La règle de Klechkowski (ou principe d'Aufbau) donne l'ordre de remplissage :
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p
Pour le carbone (Z = 6) : 1s² 2s² 2p². Pour le fer (Z = 26) : [Ar] 4s² 3d⁶.
Un atome, plusieurs visages
Selon la précision dont tu as besoin :
- Le modèle planétaire suffit à parler de couches et de valence.
- Le modèle quantique est nécessaire pour expliquer les liaisons covalentes, la géométrie moléculaire, la couleur des composés, le magnétisme.
Au lycée, tu utilises surtout le modèle quantique simplifié (s, p, d). En L1, on entre dans les orbitales détaillées et leur géométrie. À toi de jouer.