Nous avons vu que le noyau de l’atome contient des protons chargés d’électricité positive. Or l’atome (comme toute matière) est électriquement neutre. Nous devons donc admettre la présence de particules chargées d’électricité négative dans l’atome. Ces particules sont les électrons.

1. Caractéristiques de l’électron
L’électron est chargé d’électricité négative. Sa charge est égale à la charge élémentaire e
Sa masse, 9,1×10^-31 kg est très faible par rapport à celle d’un nucléon. En résumé,
q_e = -e = -1,6×10^-19 C;
m_e = 9,1×10^-31 kg ≈  m_p / 1836

Conséquences

1. L’atome étant électriquement neutre, la charge d’un proton étant, en valeur absolue égale à la charge d’un électron, il en résulte que : Dans un atome, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons

2. La masse d’un proton est 1836 fois celle d’un électron. Le noyau, constitué de protons et de neutrons a une masse très grande par rapport à celle des électrons. Il en résulte que :La masse d’un atome est pratiquement égale à la masse de son noyau.
La masse d’un noyau étant proportionnelle au nombre de nucléons qu’il renferme, on a donc attribué au nombre de nucléons l’appellation nombre de masse.

2. Répartition des électrons autour d’un noyau Nuage électronique d’un atome

Les électrons sont en mouvement rapide et désordonné autour du noyau. Si on considère un électron de l’atome, sa trajectoire ne peut être déterminée.
L’ensemble des positions occupées par les électrons d’un atome constitue le nuage électronique de l’atome.

Couches électroniques ou niveaux d’énergie
Chaque électron est soumis à une action attractive de la part du noyau. Cette action est d’autant plus importante que l’électron est plus proche du noyau. On peut donc caractériser un électron par la quantité d’énergie qu’il faut fournir pour l’extraire de l’atome. Cette idée permet d’attribuer à chacun des électrons de l’atome un niveau d’énergie.
Les électrons ayant le même niveau d’énergie constituent une couche électronique.
Les couches électroniques d’un atome sont numérotées n = 1, 2, 3, 4...
Le nombre n qui caractérise chaque couche est appelé nombre quantique. La couche de rang 1 est plus proche du noyau. En général, plus n est petit, plus les électrons  sont proches du noyau. Il existe une seconde représentation qui consiste à associer à chaque couche une lettre majuscule, selon le tableau de correspondance suivant :

On parle donc indifféremment des électrons de la couche K ou bien des électrons de la couche n = 1.

Répartition des électrons dans les couches électroniques
La répartition des électrons dans les différentes couches électroniques obéit à deux règles fondamentales.

Remplissage d’une couche déterminée
Une couche ne peut contenir qu’un nombre limité d’électrons. Ce nombre maximal d’électrons est 2n² dans la couche de rang n.
Ainsi, le nombre maximal d’électrons dans la couche K (n = 1) est : 2×1² = 2.
La couche L (n = 2) est entièrement remplie avec 2×2² = 8 électrons. Et la couche               M (n = 3) est saturée avec 2×3² = 18 électrons.

Remplissage des couches électroniques successives
Les électrons se placent dans les couches en suivant l’ordre croissant des nombres quantiques : d’abord la couche K, puis la couche L,..., le remplissage d’une couche ne commençant que lorsque la couche précédente est saturée.

Remarque.

Cette règle subit quelques entorses pour les éléments du numéro atomique Z ≥19. Il faut alors la remplacer par des règles plus fines qui ne peuvent être étudiées au secondaire.

Représentation des couches électroniques
Pour représenter le nuage électronique d’un atome, Chaque électron est représenté par un point. Chaque niveau d’énergie est représenté par un petit rectangle dans lequel on placera les électrons appartenant à ce niveau.
Exemples.
1. Pour l’atome d’hydrogène (H; Z = 1) l’unique électron se place sur la couche K. On a :

2. Pour l’atome d’hélium contenant 2 électrons dans son nuage électronique

3. Pour l’atome de carbone contenant 6 électrons dans son nuage électronique,

4. Pour l’atome de chlore contenant 17 électrons dans son nuage électronique,

5. Pour l’atome de potassium contenant 19 électrons dans son nuage électronique,

Notons ici que la couche N (n = 4) commence à se remplir avant que la couche M (qui peut contenir 18 électrons) ne soit saturée. C’est l’une des entorses aux règles de remplissage ci-dessus.
Pour représenter la structure électronique d’un atome, on peut aussi utiliser sa formule électronique, formule dans laquelle les couches électroniques sont représentées par les lettres portant en exposant le nombre d’électrons contenus dans la couche correspondante.
Ainsi (voir exemple ci-dessus),

    l’atome d’hydrogène a pour formule électronique :K ¹.
„ L’atome d’hélium : K ².
„ L’atome de carbone : K ² L⁴.
„ L’atome de chlore : K ² L⁸ M ⁷.
„ L’atome de potassium : K ² L⁸ M ⁸ N ¹

Exercice d’application
Quel est le numéro atomique de l’élément dont les atomes ont la formule électronique     K ² L⁸ M ⁵ ?

Solution
Les atomes possèdent 2+8+5 = 15 électrons.
L’atome étant électriquement neutre, cet élément possède 15 protons dans son noyau.
Le numéro atomique de cet élément est donc Z = 15.

Représentation de Lewis d’un atome
Les électrons de la couche la plus éloignée du noyau (appelée couche externe) ont une très grande importance; en particulier, ces électrons périphériques ou électrons de valence sont
Les électrons périphériques peuvent :

• soit se grouper par deux, pour constituer ce qu’on appelle un doublet d’électrons;
• soit rester seuls; ils sont dits alors électrons célibataires ou non appariés.

Ce sont les électrons célibataires d’un atome qui sont engagés dans les liaisons avec d’autres atomes; ils permettent donc d’expliquer les propriétés chimiques d’un atome.
En raison de l’importance des électrons de valence, Lewis ², propose une représentation simplifiée de l’atome dans laquelle on dispose autour du symbole de
l’atome les électrons de valence :

• les électrons célibataires sont représentés par un point (·)
  les doublets sont représentés par un tiret (—).

Remarque.

Comment connaître le nombre d’électrons célibataires d’un atome? Jusqu’à 4 électrons sur la couche externe, ils sont tous célibataires. Au-delà de 4 électrons de valence, les électrons supplémentaires constituent progressivement des doublets.

Exercice d’application
Etablir la représentation de Lewis de l’atome de soufre sachant que le nombre de charge du soufre S est Z=16.

Solution
La structure électronique du soufre est : K²L⁸M⁶ (exercice d’application ci-dessus).
Il y a donc 6 électrons sur la dernière couche. Sur cette couche, on place d’abord 4 électrons célibataires; il reste 2 électrons qui vont s’associer à 2 électrons célibataires pour constituer 2 doublets. On a finalement 2 doublets et 2 électrons célibataires. D’où la représentation de Lewis suivante :

A partir de cet exemple, et connaissant les structures électroniques de l’hélium He : K ² de l’azote N : K ² L⁵ de l’argon Ar : K ² L⁸ M ^8.
Nous déduisons leurs modèles de Lewis :

3. La classification périodique actuelle des éléments
La classification logique des éléments a depuis longtemps préoccupé les chimistes. Après plusieurs tentatives échouées par divers chercheurs, c’est Mendeliev
Dimitri 3 qui constata en 1869, qu’en rangeant les éléments par ordre de masses croissantes on avait une périodicité dans les propriétés.

Principe de la classification
Aujourd’hui on classe les éléments par ordre de numéros atomiques croissants dans un tableau à 18 colonnes ou groupes et 7 lignes ou périodes.
Chaque case de la classification (proposée au début de votre manuel) correspond à un élément (_ZX)

Remarque.

Dans certaines classifications périodiques, le numéro atomique Z de l’élément est situé en haut et à gauche de la case.
Chaque période correspond au remplissage d’une couche électronique. Ainsi, la première période correspond au remplissage de la couche K, la seconde à celle de la couche L, la troisième période correspond au remplissage partiel de la couche M.
Lorsqu’une couche est remplie, on passe à la période suivante, de sorte que tous les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons de valence.

Intérêt de la classification périodique
Rappel : Dans une colonne, tous les atomes ont le même nombre d’électrons périphériques. Il résulte que ces éléments de la même colonne possèdent des propriétés chimiques semblables et constituent ainsi des familles ou groupes homogènes.

Exemples de familles

Groupe des alcalins
Les éléments de la colonne 1, à l’exception de l’hydrogène qui a des propriétés très particulières, constituent la famille des alcalins; ce sont : le lithium (Li), le sodium
(Na), le potassium (K), le rubidium (Rb), le césium (Cs), et le francium (Fr).
Les atomes de ces éléments possèdent un seul électron de valence, d’où la représentation de Lewis :

Famille des alcalino-terreux
Ce sont les éléments de la colonne 2. Ils possèdent 2 électrons périphériques. Ce sont le béryllium (Be), le magnésium (Mg), le calcium (Ca), le strontium (Sr), le baryum (Ba) et le radium (Ra).
Ces atomes ont 2 électrons de valence et ont pour modèle de Lewis :

Le groupe de la colonne 17 ou groupe des halogènes
Ce sont les éléments de la colonne 17. Ils ont 7 électrons périphériques (3 doublets et un électron célibataire). Ce sont le fluor (F); le chlore (Cl); le Brome (Br); l’iode (I); et l’astate (At). Ils ont pour modèle de Lewis :

La colonne des gaz rares (colonne 18)

Dans la colonne 18, on trouve l’hélium (He), le néon (Ne), l’argon (Ar); le krypton (Kr); le Xénon (Xe) et le radon (Rn). Ces gaz existent en très petites quantité dans l’atmosphère. D’où leur appellation gaz rares. Mis à part l’hélium dont la couche externe est la
couche K à 2 électrons, ils possèdent tous 8 électrons périphériques, groupés en 4 doublets. Ne possédant pas d’électrons célibataires dans leur couche périphérique, ces gaz n’interviennent pratiquement pas dans les réactions chimiques. On dit qu’ils ont
une grande inertie chimique; c’est ainsi qu’on les appelle parfois gaz inertes ou gaz nobles.
En général, une couche externe d’un atome contient au max 8 électrons (comme les gaz inertes). On dit qu’une couche externe à 8 électrons est saturée.