Tu veux devenir un as de la physique-chimie et tout connaître sur les électrons ? Tu es tombé au bon endroit ! Symbole, taille, charge, masse, place dans l’atome et rôle dans les réactions chimiques et physiques : tu sauras tout sur le bout des doigts. C’est parti ! 🥳
Pour faire un détour historique, c’est en 1897 que le physicien britannique J.J. Thomson réalisa des expériences pour étudier les phénomènes électriques. Il met en évidence, dans les rayons cathodiques, des particules chargées négativement plus de mille fois plus légères que l’atome d’hydrogène, qu’il appelle « corpuscules ». Le nom « électron » vient du physicien irlandais George Johnstone Stoney, qui l’avait proposé dès 1891 pour désigner la plus petite quantité d’électricité.
Thomson propose également le modèle du « pain aux raisins » puisqu’on peut comparer la mie du pain à la boule de matière positive et les raisins aux électrons qui sont répartis à l’intérieur du pain.
L’histoire du modèle atomique ⚛️
Le savais-tu ? 💡
L’histoire de l’électron remonte à la fin du XIXe siècle, lorsque les physiciens cherchaient à comprendre les mystérieux « rayons cathodiques » qui traversaient leurs tubes vidés d’air.
Avant de rentrer dans le vif du sujet, voyons ensemble la constitution d’un atome. Tu verras, le fait de savoir cela t’aidera à comprendre la suite.
Depuis les travaux de Rutherford, publiés en 1911, on sait que l’atome est constitué d’un noyau et d’électrons. Dans le noyau de l’atome, il y a les protons (chargés positivement) et les neutrons (non chargés). Ensuite, il y a les électrons (chargés négativement) qui sont localisés autour du noyau.
Le modèle a ensuite été affiné. En 1913, le physicien danois Niels Bohr place les électrons sur des orbites précises, chacune liée à un niveau d’énergie, un peu comme des planètes autour du Soleil. Depuis les années 1920, la mécanique quantique remplace ces trajectoires par un « nuage électronique » : on ne connaît plus la position exacte d’un électron, seulement les zones (les orbitales) où il a le plus de chances de se trouver. Au lycée, on décrit ce nuage avec des couches et sous-couches électroniques (1s, 2s, 2p, 3s, 3p) : les électrons de la dernière couche occupée sont les électrons de valence.
Bon à savoir 🧠
Son nombre de protons ou numéro atomique est noté Z.
L’atome est neutre, donc il comporte autant d’électrons que de protons. Le numéro atomique détermine les propriétés chimiques de l’atome. À chaque valeur de Z correspond un nom d’atome et un élément chimique. Par exemple, l’hydrogène possède 1 proton, alors que le carbone en possède 6. 🙂
Le nombre de neutrons au sein du noyau est désigné N. Le nombre de masse noté A est la somme de Z+N.
Un noyau d’atome peut se retrouver dans plusieurs états :
-
Lié : c’est lorsque la cohésion des protons et des neutrons est sûre. Les noyaux liés peuvent être stables ou instables ;
-
Stable : c’est lorsque la désintégration en un autre noyau n’est pas spontanée. La plupart des noyaux présents sur Terre sont stables ;
-
Instable : c’est lorsqu’il va faire une transformation spontanée en un autre noyau. La probabilité que cet événement arrive dépend de sa période radioactive ;
-
Excité : stable ou instable, c’est lorsque le noyau a acquis un surplus d’énergie. Le noyau peut vibrer et dissiper cette énergie par émission d’une particule ou d’un photon par exemple.
Qu’est-ce qu’un électron ?
Un électron est une particule élémentaire de charge électrique négative, notée e⁻, présente dans tous les atomes. Les électrons se trouvent autour du noyau, répartis en couches électroniques. Élémentaire veut dire qu’on ne peut pas le décomposer en particules plus petites : l’électron appartient à la famille des leptons. 😉
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Les propriétés de l’électron
Quel est le symbole de l’électron ?
Le symbole de l’électron est e⁻ : la lettre e pour « électron » et le signe moins pour sa charge négative. Dans une équation, le nombre d’électrons échangés s’écrit devant ce symbole, par exemple Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu. Son antiparticule, le positon, porte la même lettre avec un signe plus : e⁺.
Avoir les bases 🙂
Un électron est représenté par le symbole e- :
- e pour désigner l’électron
- le signe – pour évoquer sa charge négative.
Quelle est la taille d’un électron
?Un électron n’a pas de taille mesurable : la physique le considère comme une particule ponctuelle, sans volume ni structure interne. Les mesures les plus fines, faites sur un électron piégé seul, montrent que son rayon, s’il existe, reste inférieur à 10⁻²² m. Même le plus petit noyau d’atome, celui de l’hydrogène, est donc des millions de fois plus grand.
Le « rayon classique de l’électron », d’environ 2,82 × 10⁻¹⁵ m, apparaît parfois dans les livres. Attention : ce n’est pas sa vraie taille, mais une longueur obtenue par un calcul de physique classique qui ignore la mécanique quantique. Les physiciens s’en servent comme repère dans certains calculs, pas pour dessiner l’électron. 😉
Masse de l’électron
La masse d’un électron est égale à 9,109 383 7 × 10⁻³¹ kg, soit environ 5,485 8 × 10⁻⁴ u en unité de masse atomique. Dans la pratique, elle est couramment arrondie à 9,11×10-31 kg pour que cela soit plus pratique. (On a dit plus pratique, pas plus simple) 😅
Pour mieux saisir ce chiffre, compare l’électron au proton : le proton est environ 1 836 fois plus lourd. Les électrons ne pèsent presque rien dans un atome, dont plus de 99,9 % de la masse se concentre dans le noyau. 🪶
Quelle est la charge de l’électron
?La charge de l’électron vaut −e, avec e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C (coulomb), la charge élémentaire. Cette valeur est exacte : depuis le 20 mai 2019, elle sert à définir l’ampère dans le Système international d’unités. En exercice, tu utiliseras le plus souvent l’arrondi −1,60 × 10⁻¹⁹ C.
Le physicien américain Robert Millikan est le premier à la mesurer avec précision, grâce à des expériences menées à partir de 1909. Son idée : observer de minuscules gouttes d’huile électrisées, maintenues en suspension par un champ électrique entre deux plaques. Toutes les charges mesurées étaient des multiples d’une même valeur, celle d’un électron.
Le savais-tu ? 💡
Comme toutes les particules chargées, l’électron peut interagir avec d’autres particules chargées. Par contre, il sera repoussé par les particules de charge négative, donc deux électrons se repoussent entre eux. Mais ils sont attirés par les charges positives comme les noyaux d’atomes.
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Les électrons et les liaisons chimiques
Les électrons sont au cœur de la formation des liaisons chimiques entre les atomes. La manière dont les électrons sont répartis autour du noyau d’un atome influence la capacité de cet atome à former des liaisons avec d’autres atomes. Trop bon la vie d’influenceurs dis donc. 🤳
Les liaisons covalentes
Les liaisons covalentes sont des liaisons chimiques dans lesquelles les atomes partagent des électrons pour atteindre une configuration électronique plus stable. Ces liaisons se forment principalement entre des atomes non métalliques.
Les liaisons covalentes peuvent être classées en liaison simple, double ou triple en fonction du nombre de paires d’électrons partagés entre les atomes. Dans une liaison simple, il y a une paire d’électrons partagés, dans une liaison double, il y en a deux et dans une liaison triple, il y en a trois, CQFD. 😎
P’tit truc en plus ! 😉
La notation de Lewis est souvent utilisée pour représenter les liaisons covalentes. Les paires d’électrons partagés sont représentées par des points entre les symboles atomiques.
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Les liaisons ioniques
Les liaisons ioniques sont des liaisons chimiques qui se forment entre des atomes lorsque des électrons sont transférés d’un atome à un autre. Ces liaisons sont typiques entre un métal et un non-métal, où le métal perd des électrons pour former un cation positif, et le non-métal gagne ces électrons pour former un anion négatif.
Cation, anion, késako ? 🤔
Cation, anion, késako ? Un cation est tout simplement un ion positif et un anion est son opposé, donc un ion négatif.
Les atomes qui participent à une liaison ionique subissent un processus de formation d’ions. Les cations et les anions sont attirés l’un vers l’autre par des forces électrostatiques, formant ainsi la liaison ionique. 🙂
La formation de liaisons ioniques permet aux atomes de parvenir à une configuration électronique plus stable, souvent en imitant la configuration électronique des gaz nobles, dont la couche électronique externe est complète.
Les liaisons métalliques
Les liaisons métalliques sont des liaisons chimiques qui se forment entre les atomes de métaux. Contrairement aux liaisons ioniques ou covalentes, les liaisons métalliques impliquent le partage d’électrons entre plusieurs atomes de métal plutôt que le partage d’électrons entre des atomes individuels.
Le savais-tu ? 💡
Les métaux ont généralement quelques électrons de valence, qui sont les électrons situés dans la couche la plus externe de l’atome. Ces électrons sont libres de se déplacer dans tout le matériau métallique.
Les métaux comme le cuivre par exemple, ont souvent une structure dans laquelle les atomes de métal sont arrangés de manière ordonnée. En raison de la mobilité des électrons, les métaux présentent une excellente conductivité électrique. Les électrons peuvent se déplacer librement à travers le métal. 😉
Les électrons dans les réactions chimiques
Dans une réaction chimique, de nouvelles liaisons peuvent se former entre les atomes, tandis que d’autres peuvent être rompues. Ces changements de liaisons impliquent des électrons. Par exemple, dans une réaction de formation d’eau (H₂O) à partir d’hydrogène (H₂) et d’oxygène (O₂), des électrons sont partagés entre les atomes d’hydrogène et d’oxygène pour former de nouvelles liaisons.
Les réactions d’oxydation et de réduction impliquent le transfert d’électrons entre différentes espèces chimiques. L’oxydation correspond à la perte d’électrons, alors que la réduction correspond au gain d’électrons. Ces réactions sont essentielles pour de nombreux processus chimiques et biologiques.
La réactivité chimique des éléments et des composés est largement déterminée par la disposition des électrons dans leur structure atomique.
Pour faire simple, les électrons sont des acteurs clés dans les réactions chimiques. Leur participation aux processus de formation, de rupture et de transfert de liaisons est fondamentale. 🧪
Les électrons dans les phénomènes physiques
Les électrons interviennent dans de nombreux phénomènes physiques grâce à leur charge électrique et à leur mobilité : courant électrique, électricité statique, émission de lumière.
Tu savais que… 😉
Les électrons sont les porteurs de charge négative dans les matériaux conducteurs tels que les métaux.
Lorsqu’une différence de potentiel est appliquée, les électrons peuvent se déplacer librement à travers le matériau, générant un courant électrique.
Les phénomènes d’électricité statique résultent du transfert d’électrons entre des objets, les rendant chargés électriquement.
↪️ Par exemple, lorsque des électrons sont transférés d’un matériau à un autre par frottement, cela peut créer une charge électrique statique. Pour expliquer de manière plus simple, lorsque tes cheveux se hérissent tout seul on appelle ça de l’électricité statique. ⚡
Aussi, lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie plus élevé à un niveau d’énergie plus bas, il peut émettre un photon de lumière.
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Un exemple pas comme les autres
Avant de conclure, faisons un détour historique et cinématographique. As-tu vu le film “Oppenheimer” ? As-tu vu en Histoire le conflit entre le Japon et les États-Unis ainsi que les explosions atomiques d’Hiroshima et Nagasaki ? Si c’est le cas, tu vas vite comprendre ou on veut en venir. En effet, nous allons parler de l’agissement des électrons dans une bombe atomique. 💣
Les électrons sont présents dans les couches électroniques autour du noyau des atomes. Lorsque la fission nucléaire se produit dans les noyaux d’uranium-235, elle affecte les électrons des atomes voisins.
Cela va entraîner des ionisations et des excitations électroniques. Les réactions nucléaires libèrent ainsi des rayonnements, y compris des photons gamma, qui sont des particules électromagnétiques.
Ces photons gamma peuvent ioniser les atomes en éliminant les électrons des couches électroniques. Toutes ces actions que l’on ne voit pas libèrent de l’énergie et cela crée une énorme boule de feu allant à plusieurs millions de degrés Celsius. 🌡️
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P’tite FAQ 🎯
Quelle est la différence entre physique et chimie ? 🧑🔬
La physique étudie les propriétés fondamentales de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps. Pour faire simple, elle se concentre sur l’aspect naturel. La chimie se concentre sur la composition, la structure, les propriétés et les réactions de la matière. Elle explore comment les atomes et les molécules interagissent pour former de nouvelles substances par exemple
Qu’est-ce qu’un rayon atomique ? ⚛️
Le rayon atomique correspond au rayon de la sphère que forme l’atome. Plus le rayon atomique est grand, plus le volume de l’atome est grand, tout simplement.
Un spin, késako ? 🤔
La notion de spin permet de classer mathématiquement la façon dont se transforment les objets sous l’effet des rotations de l’espace à trois dimensions. Par exemple, une étoile à cinq branches possède un spin 5, mais une sphère est invariante. Mathématiquement, cet objet possède un spin infini.
Alors, es-tu incollable sur le sujet maintenant ? Si ce n’est pas le cas, nos professeurs de Physique-Chimie sont là pour te donner un coup de pouce pendant un cours particulier de physique-chimie en ligne ! 👍
Sinon, nous on se retrouve bientôt pour un futur article. À bientôt ! 👋
