- Sous-couche électronique
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En physique quantique, une sous-couche électronique est une sous-partie d'une couche électronique d'un atome ou d'un ion. Elle est définie par le couple formé par les nombres quantiques principal n et secondaire
. Le nombre de sous-couches électroniques présentes et le nombre d'électrons qu'elles peuvent accueillir augmente avec n, qui indique lui-même la couche électronique.Sommaire
Caractérisation
Une sous-couche électronique est définie par un nombre quantique principal (noté n), qui correspond à la couche à laquelle elle appartient, et par un nombre quantique secondaire (noté
) qui la caractérise dans cette couche. Des sous-couches (n, ) sont présentes dès lors qu'est vérifiée la relation 
, avec n et entiers positifs. Il en résulte qu'une couche n contient n sous-couches. Ainsi, la couche n=3 contient trois sous-couches de nombres quantiques secondaires 0, 1 et 2.Les sous-couches électroniques sont désignées par les appellations suivantes : s (sharp), p (principal), d (diffuse), f (fundamental), et g. Elles correspondent respectivement aux orbitales atomiques de type s, p, d, f et g.
Une couche électronique n peut contenir au plus 2n² électrons. Les sous-couches peuvent en accueillir un nombre bien défini, dépendant de leur nature[1] :
- Une sous-couche s,
, peut contenir jusqu'à 2 électrons. Cette sous-couche est présente dans tous les atomes et ions. - Une sous-couche p,
, peut en contenir jusqu'à 6. Cette sous-couche est présente dans les atomes qui possèdent 2 ou plus couches électroniques. - Une sous-couche d,
, peut en contenir jusqu'à 10. Cette sous-couche est présente dans les atomes qui possèdent 3 ou plus couches électroniques. - Une sous-couche f,
, peut en contenir jusqu'à 14. Cette sous-couche est présente dans les atomes qui possèdent 4 ou plus couches électroniques. - Une sous-couche g,
, peut en contenir jusqu'à 18. Cette sous-couche est présente dans les atomes qui possèdent 5 ou plus couches électroniques. - Etc.
Dans les systèmes à plusieurs électrons (ou systèmes polyélectroniques), une sous-couche caractérise un niveau d'énergie. En effet, l'énergie d'une orbitale dans un système à plusieurs électrons ne dépend que des nombres quantiques n et
: l'énergie est d'autant plus élevée que n et sont grands[2]. S'il existe plusieurs orbitales de même énergie, on dit que le niveau est dégénéré ; cette dégénérescence est due au nombre quantique magnétique m qui distingue les orbitales d'une même sous-couche. Tous les niveaux d'énergie sont dégénérés hormis les niveaux correspondant aux sous-couches s.Ordre de remplissage
Dans la configuration fondamentale, les électrons ont tendance à s'organiser dans les sous-couches suivant selon la règle de Klechkowski. Suivant cette règle, il faut d'abord remplir la couche 1s, qui ne contient qu'une case quantique. Comme chaque case quantique, elle peut contenir au plus 2 électrons (selon le principe d'exclusion de Pauli). Quand la sous-couche est remplie, on la note 1s². La couche 2s doit ensuite être remplie, puis la 2p, puis la 3s, et ainsi de suite . La couche 2p contient 3 cases quantiques, qui peuvent chacune contenir au plus 2 électrons, ce qui explique qu'elle puisse en contenir jusqu'à 6. Au total, la couche de nombre quantique principal n=2 contient 2+6 électrons (ceux des sous-couches 2s et 2p), soit 8 électrons, et compte n² orbitales atomiques, soit 4. Par exemple, pour l'atome de sodium, il y a 11 électrons qu'il faut répartir sur les couches électroniques. Sa configuration électronique fondamentale est 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹, que l'on note [Ne]3s¹ ([Ne] représentant la configuration électronique fondamentale du néon).
La règle de Klechlowski dit que les électrons doivent être répartis dans les cases quantiques par
croissant, et qu'en cas d'égalité on remplit d'abord la case quantique ayant le n le plus petit. Cela a pour conséquence que certaines cases de nombre quantique principal plus élevé sont remplies avant d'autres, de n plus faible mais dont le nombre quantique secondaire est plus élevé. Par exemple, la sous-couche 4s (n=4, 
=0) est remplie avant la 3d (n=3, =2).Répartition des électrons dans les cases quantiques n Sous-couche électronique Nombre d'électrons maximum dans la sous-couche n = 1 = 01s 2 électrons n = 2 = 02s 2 électrons = 12p 6 électrons n = 3 = 03s 2 électrons = 13p 6 électrons n = 4 = 04s 2 électrons n = 3 = 23d 10 électrons n = 4 = 14p 6 électrons n = 5 = 05s 2 électrons n = 4 = 24d 10 électrons n = ... = ...... ... Il existe cependant des exceptions à cette répartition des électrons dans les sous-couches. Par exemple, alors que la configuration électronique du chrome devrait être [Ar] 4s² 3d⁴ en suivant la règle de Klechkowski, elle est en réalité [Ar] 4s¹ 3d⁵. La raison est qu'un atome est plus stable s'il possède ses sous-couches de valence demi-remplies, c'est-à-dire avec un seul électron dans chaque case, ce qui est le cas de la configuration [Ar] 4s¹ 3d⁵, ou complètement remplies (voir la règle de Hund).
Notes et références
- Il est équivalent de parler de nombre maximal d'électrons dans une sous-couche et d'orbitales atomiques, car c'est dans celles-ci que se trouvent les électrons. Les orbitales atomiques appartiennent aux sous-couches et peuvent accueillir au plus deux électrons. Ainsi, il y a dans une couche électronique n² orbitales et au maximum 2n² électrons.
- Dans les systèmes à un seul électron, appelés systèmes « hydrogénoïdes », l'énergie ne dépend que de n, c'est-à-dire de la couche.
Articles connexes
- Une sous-couche s,
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