Les orbitales de valence des atomes sont composées de suborbitales (s et p) il y a 1 s suborbital qui est sphérique et peut contenir 2 électrons (un avec un spin ascendant et un avec un spin descendant). Il y a 3 p suborbitales qui sont en forme d'haltères (ressemblent à deux ballons attachés ensemble aux extrémités) et s'alignent le long des axes x, y&z et contiennent un total de 6 électrons (2 par axe, 3 avec rotation ascendante et 3 avec rotation descendante) . Puisqu'un atome est énergétiquement satisfait lorsque tous les électrons sont appariés et 2 + 6 = 8, un atome doit avoir 8 électrons dans sa couche de valence pour appairer tous les électrons.

La règle de l'octet ne s'applique pas à tous les atomes cependant, pour les métaux de transition et les éléments ultérieurs, il y a un suborbital qui peut contenir 10 électrons supplémentaires, ce qui signifie que maintenant un atome peut avoir 18 électrons dans sa couche de valence à satisfaire. Cela permet à des matériaux tels que les complexes métalliques et le sulfate poly-atomique d'exister malgré plus de huit électrons dans la couche de valence.

Les atomes n'ont généralement pas besoin de 8 électrons pour se stabiliser.

En utilisant la physique quantique et ses modèles d'atomes et de liaisons, nous pouvons définir quatre nombres quantiques. $ n $ étant le nombre quantique principal décrit la couche d'électrons, $ l $ étant le nombre azimutal décrit la forme orbitale, $ m $ étant le nombre magnétique décrivant la dégénérescence de l'orbite et $ s $ étant le nombre de spin. Le principe de Pauli dit que 2 électrons (fermion) ne peuvent pas exister dans le même état (énergétique) et les nombres quantiques décrivent de tels états énergétiques d'électrons dans l'atome.

Il a également été constaté que $ n = 1, \ ldots, ~ l = 0, \ ldots, n-1, ~ m = -l, \ ldots, l, ~ s = \ pm1 / 2 $.

Une autre règle prétend que l'électron est de préférence dans le état avec l'énergie la plus faible possible et donc les états avec $ n $ plus bas sont préférés avant les autres avec une énergie similaire.

Ensemble, nous obtenons la séquence d'occupation des niveaux énergétiques comme suit: $$ \ rm 1s ^ 2, 2s ^ 2, 2p ^ 6, 3s ^ 2, 3p ^ 6, 4s ^ 2, 3d ^ {10}, 4p ^ 6, 5s ^ 2, 4d ^ {10}, 5p ^ 6, 6s ^ 2 , 4f ^ {14}, 5d ^ {10}, 6p ^ 6, \ ldots $$ où nombre est le nombre quantique principal, $ \ rm s, p, d, f $ représente $ l = 0, 1, 2, 3 $, respectivement, exposant montre le nombre de paires $ m $ et $ s $ disponibles.

L'atome est considéré comme stable lorsque toutes les orbitales antérieures $ n \ mathrm s $ sont entièrement occupées (gaz nobles) et ces électrons n'interagissent pas dans les liaisons chimiques. Les électrons ayant le plus haut $ n $ au-delà de cette limite sont des électrons de valence et ils peuvent former des liaisons chimiques. Leurs énergies dans l'atome sont les plus élevées. Par exemple, la configuration électronique au lithium peut être écrite comme suit: \ begin {align} _3 \ ce {Li} &: \ mathrm {1s ^ 2 \ 2s ^ 1} \\ _3 \ ce {Li} &: [_2 \ ce {He }] \ \ mathrm {2s ^ 1} \ end {align}

Maintenant pour la question, les atomes les plus courants ont des électrons de valence dans $ \ rm s $ et $ \ rm p $ orbitales et 8 électrons peut les remplir, c'est pourquoi il y a la "règle des 8 magiques" car seuls 4 atomes ne se stabilisent pas en configuration 8 valences:

• L'hydrogène se stabilise dans $ _0 \ ce {H ^ +} $ ou $ \ ce {_2H ^ {-} [_ 2He]} $ configuration;
• L'hélium est stable comme $ \ ce {_2He} $;
• Le lithium se stabilise dans $ \ ce {_3Li ^ {+} [_ 2He]} $;
• Le béryllium se stabilise dans $ \ ce {_4Be ^ {2 +} [_ 2He] } $;
• Le bore se stabilise dans $ \ ce {_5B ^ {3 +} [_ 2He]} $;
• Le carbone se stabilise dans $ \ ce {_6C ^ {4 +} [ _2He]} $ ou $ \ ce {_6C ^ {4 -} [_ {10} Ar]} $

D'après la question du commentaire de DraggyWolf, pourquoi il n'y a pas 1 électron par atome considéré comme stable?

Considérons que l'électron d'énergie par rapport au noyau est nul lorsqu'il n'est pas lié. Si le proton ($ \ ce {H ^ +} $) accepte l'électron, il forme de l'hydrogène et libère $ 13,6 ~ \ rm eV $ d'énergie (photon). L'énergie de l'électron dans l'atome d'hydrogène est $ -13,6 ~ \ rm eV. $ Dans le cas de l'hélium, les énergies sont $ -54,4 $ et $ 24,6 ~ \ rm eV. $ Pour le lithium, nous obtenons l'énergie $ -30 ~ \ rm eV $ pour $ \ rm 1s ^ 2 $ state et $ \ rm -5 eV $ pour $ \ rm 2s ^ 1 $.

On voit clairement à quel point la liaison noyau-électron près du noyau est forte et qu'elle néglige la répulsion électron-électron - Le noyau avec toute la charge positive est "localisé" dans l'espace 23 000 - 145 000 fois plus petit que le nuage d'électrons entier.

Je pense que le plus important ici est de souligner certains détails qui, à mon avis, ne sont pas suffisamment mis en valeur dans les cours de chimie, et qui sont pourtant extrêmement importants pour aborder des questions comme celle-ci.

Je veux dire pourquoi pas 7, 5 ou 10 électrons? Pourquoi spécifiquement 8?

J'ai déjà été dans cette situation. Celui où je pose une question que je crois être une question sur la nature fondamentale de la matière, mais plus je l'explore, cela semble juste être une question dénuée de sens. Le nombre réel d'électrons nécessaires pour stabiliser un système n'est pas une question dont nous devrions vraiment nous soucier. La question qui nous importe est de savoir si nos théories peuvent ou non prédire ce nombre. Après tout, en science, nous posons les questions à la nature, et la nature nous donne les réponses. Donc dans ce cas, la nature nous a dit 8 électrons, donc la réponse est 8 électrons. Je pense que c'est une chose qui est beaucoup plus soulignée en physique qu'en chimie. La nature est l'arbitre. Nous essayons simplement de rationaliser les décisions de l'arbitre.

Pourquoi les atomes ont-ils besoin de 8 électrons pour se stabiliser?

Voilà une question qui peut être répondu par une théorie! Cela peut être répondu avec beaucoup de détails ou un peu de détail, mais j'ai l'impression que vous allez poser des questions sur les raisons pour lesquelles nous ne continuons pas à remplir les orbitales avec plus d'électrons? C'est essentiellement ce que vous demandez à propos de la réponse de A.K. en disant:

qu'entendez-vous par énergiquement satisfait? Comment un atome peut-il savoir s'il est satisfait?

Cela nous amène peut-être au plus grand tort rendu aux étudiants en chimie dans leurs classes: l'habitude de personnifier les systèmes chimiques. Parler des «désirs» du système facilite la compréhension lors de la première apprentissage, mais cela devrait rapidement être abandonné (le fluor ne fait que aime les électrons!). La réponse à votre question ici est que le système ne sait pas ce qu'il veut, et c'est souvent une très bonne question à poser! Ces types de questions peuvent être très productifs lors de l'étude de quelque chose comme l'intrication quantique. Mais, pour le sujet à l'étude, quelque chose de plus simple suffit. Les systèmes chimiques sont dynamiques. Ils changent dans le temps en entrant en collision avec d'autres molécules, en vibrant, en rotation, en absorbant des photons et en émettant des photons, et en faisant toutes ces choses à la fois! Ainsi donc, ce que cela signifie pour un système d'être "énergétiquement satisfait", c'est que toutes ces choses ont trouvé une sorte d'équilibre. Il est parfaitement possible qu'à un moment donné un atome perde un électron et qu'un autre le capte, mais encore une fois, nous devons revenir à ce que la nature nous dit. La nature dit que lorsque nous avons deux atomes qui volent et que l'un d'eux a sept électrons, cet atome va prendre un électron à quelque chose d'autre.

Cela ne doit pas être réservé aux systèmes chimiques. Dans toute la physique, nous observons que les systèmes tendent vers leur état d'énergie le plus bas. Ce n'est pas absolument dicté par une loi, mais c'est plutôt une règle générale. Après tout, nous pouvons trouver des systèmes qui ne sont pas au minimum global de leur surface d'énergie potentielle, mais si l'énergie d'activation peut être ignorée, nous trouverons presque toujours ce système dans son état d'énergie le plus bas.

C'est presque comme si la nature sondait ces états de cinq, sept et dix électrons que vous suggérez, mais ne restait tout simplement pas là parce que ce n'est pas ainsi que le monde fonctionne. Pour être technique, les systèmes tendent vers l'équilibre (vous devez vous en convaincre car les mathématiques pour le montrer peuvent être impliquées), donc quand je trouve un atome avec dix électrons, les forces dans le système sont déséquilibrées. Il peut y avoir huit charges positives dans le noyau, mais dix électrons chargés négativement. Ainsi, quand quelque chose avec sept électrons arrive, il est probable que le système prenne l'un des électrons supplémentaires car cela équilibre les forces (ainsi que cela peut être fait dans cet exemple). Une sorte d'équilibre a été établi. C'est évidemment un exemple simpliste, mais vous pourriez alors imaginer que si vous aviez un ensemble du nombre de particules d'Avogadro, toutes ces choses échangeraient leurs déséquilibres et resteraient autour de l'équilibre. On observe à nouveau que cet équilibre est l'état de basse énergie.

Remarques finales:

Si et quand vous étudiez la mécanique quantique, vous constaterez que toutes ces choses découlent tout naturellement du cadre théorique posé là. Lorsque vous découvrez que le moment angulaire est quantifié (et que l'électron peut avoir un moment angulaire nul), vous vous demandez naturellement à quoi ressemble ce truc d'électrons ondulant (disons 95% du temps). Donc, vous tracez cela en utilisant les équations que vous avez trouvées dans votre théorie, et vous sortez les orbitales sur lesquelles nous apprenons tout dans les cours de chimie. La question suivante mène à ce que vous demandez ici, à la fois sur le nombre d'électrons que chaque atome aura naturellement autour de lui, et sur la stabilité relative de chacun de ces cas. Si vous voulez vraiment être satisfait de ces questions, étudiez la mécanique quantique. Sinon, ce que nous avons dit ici devrait suffire. Dans l'ensemble, il arrive un moment où vous devez soit regarder plus loin et être prêt à vous débattre avec des idées compliquées en mécanique quantique, soit renoncer à poser des questions épistémologiques parce que la réponse à ce genre de questions en science est presque toujours, "parce que mère nature le dit."

Mes 2 centimes: comme noté par d'autres, la stabilité n'est vraiment là que pour n = 1, 2 et 3, au-delà la situation se complique (et Il n'a que 2 électrons, donc vraiment on ne parle que de néon et argon).

Cela signifie que les orbitales en question sont: 1s, 2s, 2p, 3s et 3p. Pour chaque occupation possible de ces orbitales par jusqu'à 18 électrons, des niveaux d'énergie peuvent être obtenus pour le système dans son ensemble. Il est important de se rappeler que seuls des niveaux d'énergie discrets existent.

Il s'avère que les niveaux d'énergie dans les deux périodes sont respectivement minimes pour les configurations électroniques $ 1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 $ et $ 1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6 3s ^ 2 3p ^ 6 $.

Incidemment, c'est 8 électrons dans la coque externe.

Quant aux autres questions:

Et que signifie la stabilisation des atomes? - Dans ce contexte, cela signifie que certains atomes sont plus susceptibles de abandonner ou prendre des électrons supplémentaires, rien d'autre. Il ne décrit pas une situation de type interrupteur - "est-il stabilisé ou non", il dit seulement que certains sont plus stables que d'autres.

Pourquoi les atomes ont-ils besoin de 8 électrons pour se stabiliser? Je veux dire pourquoi pas 7 ou 5 ou 10 électrons? Pourquoi spécifiquement 8? - Ceci est déjà répondu - différentes configurations d'électrons ont une stabilité différente.

Les atomes vont-ils éclater sans 8? - Non.

Pourquoi ont-ils besoin de 8 électrons? - Ils essaient pour l'obtenir car dans cette configuration, ils ont la stabilité maximale possible (en d'autres termes, l'énergie minimale).

La règle des octets est trop compliquée.

La vraie réponse est - pour de nombreux atomes liés à la chimie organique, une coquille avec 8 électrons est de loin celle avec un état de faible énergie si l'on effectue les calculs de mécanique quantique.

Cependant, la règle d'octet ne s'applique pas aux autres types d'éléments.

Veuillez excuser ma réponse plutôt profane, ma spécialisation n'est pas en chimie ou en physique, mais j'ai senti que cette question demandait plus pourquoi que comment.

Pourquoi les atomes ont besoin de 8 électrons pour se stabiliser? Je veux dire pourquoi pas 7 ou 5 ou 10 électrons? Pourquoi spécifiquement 8?

Je soupçonne que cela a davantage à voir avec le fait que la force est égalisée. Nombres pairs. Un nombre impair suggérerait un électron non apparié qui suggérerait un état instable. Pensez-y comme si deux voitures se poussaient l'une contre l'autre de manière égale, ou deux aimants également attirés. Je ne pense pas que quiconque sache pourquoi c'est spécifiquement 8, par opposition à 6 ou 4 ou 2.

Et que signifie la stabilisation des atomes?

Cela signifie qu'ils sont dans un état de basse énergie. Un état de haute énergie est l'endroit où un atome a le potentiel de réagir. Prenez par exemple le sodium - lorsqu'il est introduit dans l'eau, il réagit violemment et explose. En effet, en termes simplistes, il transfère des électrons entre le sodium et l'eau. Lorsqu'un atome atteint 8 électrons, il n'y a plus d'électrons à gagner ou à perdre (c'est-à-dire que s'il était inférieur à 8, il devrait gagner des électrons supplémentaires à partir d'un autre matériau, et plus de 8, il pourrait en perdre - essentiellement une réaction se produirait).

Donc, quand nous disons que la stabilisation s'est produite, nous disons essentiellement que par convention l'atome ne réagira pas. Il est devenu stable.

Les atomes vont-ils éclater sans 8?

L'atome lui-même n'éclatera pas, en soi, mais comme dans le exemple, le sodium sera.

Edit: Je ne sais pas pourquoi les votes négatifs. Aucun retour, aucune correction. Le transfert d'électrons produit des réactions: https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_transfer https://en.wikipedia.org/wiki/Redox