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Configuration électronique d'un atome

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Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Introduction :

Les atomes sont caractérisés par leur nombre de protons, qui portent des charges élémentaires positives. Les protons sont concentrés avec les neutrons dans le noyau de l’atome. Les électrons sont au même nombre que les protons et portent les charges élémentaires négatives. Nous nous intéressons à leur distribution et disposition autour du noyau dans le cas d’un atome dans son état fondamental. C’est la configuration électronique de l’atome. Nous verrons dans un premier temps comment les éléments sont classés dans le tableau périodique, puis la structure interne de l’atome et enfin les caractéristiques des différentes familles chimiques.

Le tableau périodique des éléments

Pour mieux résumer les propriétés physico-chimiques des atomes, ils sont classés dans un tableau qu’on appelle tableau périodique des éléments. Il a été inventé par un chimiste russe, Dimitri Mendeleïev, et bien qu’il ait été complété et amélioré depuis, on l’appelle encore le tableau de Mendeleïev.

Le tableau comporte 1818 colonnes et 77 lignes. Les atomes y sont placés par ordre de numéro atomique Z\text{Z} croissant. Les colonnes correspondent à des familles d’atomes ayant le même type de propriétés. Les lignes sont appelées périodes, car les familles s’y succèdent de manière régulière.

Nous nous concentrerons sur les 33 premières lignes qui rassemblent les 1818 premiers atomes, de Z18\text{Z}\leqslant18. Comme nous le voyons, certaines cases du tableau sont vides, mais les atomes se succèdent bien par numéro atomique Z\text{Z} croissant.

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À retenir

  • La première ligne du tableau périodique comporte deux éléments : H\text{H} à gauche et He\text{He} à droite.
  • La seconde et la troisième ligne comportent chacune huit éléments : deux à gauche et six à droite.

Configuration électronique de l’atome

Couches électroniques et électrons de valence

Comme les atomes sont rangés par Z\text{Z} croissant, leur nombre d’électrons est également croissant :

  • les deux atomes de la première ligne ont 11 et 22 électrons ;
  • les huit atomes de la seconde ligne ont de 33 à 1010 électrons ;
  • les huit atomes de la troisième ligne ont de 1111 à 1818 électrons.

Cette disposition dans le tableau correspond à deux réalités physiques : les électrons sont répartis en couches définies par le niveau d’énergie des électrons et leur distance au noyau. Les couches se remplissent une à une de l’intérieur de l’atome vers l’extérieur.

  • Une première couche nommée K\text{K}, la plus profonde, peut contenir 22 électrons. Seul l’hydrogène (H)\text{(H)} ne remplit pas cette couche, car il ne possède qu’un seul électron. Tous les autres atomes ont systématiquement 22 électrons sur cette couche.
  • La seconde couche L\text{L} peut porter de 11 à 88 électrons. Elle est complètement remplie pour tous les atomes de Z\text{Z} supérieur ou égal à 1010, partiellement remplie pour les Z\text{Z} de 33 à 99. Les électrons ne commenceront à peupler la couche L\text{L} que si la couche K\text{K} est pleine, c’est-à-dire si elle possède 22 électrons.

On note le nombre d’électrons présents en exposant de la couche.

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Exemple

Les 66 électrons du carbone (Z=6)(\text{Z}=6), se répartissent en 22 électrons sur la couche K\text{K} et 44 électrons sur la couche L\text{L}. On écrira que la configuration du carbone est : (K)2(L)4\text{(K)}^{2}\text{(L)}^{4}.

  • La troisième couche, nommée M\text{M}, peut aussi porter 11 à 88 électrons. Elle est complètement remplie pour tous les atomes de Z\text{Z} supérieur ou égal à 1818, partiellement remplie pour les Z\text{Z} de 1111 à 1717.
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Exemple

Les 1313 électrons de l’aluminium (Z=13)(\text{Z}=13), se répartissent en 22 électrons sur la couche K\text{K}, 88 sur la couche L\text{L} et 33 électrons sur la couche M\text{M}. On écrira que la configuration de l’aluminium est K2L8M3\text{K}^2\text{L}^8\text{M}^3. Ce sont les 33 électrons externes de l’aluminium qui sont susceptibles d’être échangés.

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Définition

Électrons de valence :

Les électrons de la couche la plus externe, appelée couche de valence, sont les électrons de valence. Ce sont eux qui interviennent dans les réactions chimiques.

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À retenir

Le nombre d’électrons de valence d’un atome est égal à l’unité de sa colonne dans le tableau périodique. Par exemple, l’aluminium est colonne 1313, il a donc 33 électrons de valence.

Sous-couches électroniques et configuration électronique de l’atome

Les chimistes ont divisé le tableau en plusieurs blocs représentatifs des propriétés des électrons de valence : ceux qui sont à gauche du tableau ont la faculté de pouvoir perdre des électrons, ceux de la partie droite d’en gagner. Si on considère uniquement les trois premières lignes du tableau de Mendeleïev comme précédant, deux blocs existent, le bloc s à gauche et le bloc p à droite (à l’exception de l’hélium, placé à droite, qui fait partie du bloc s).

On note le nom d’une sous-couche avec un numéro de ligne et un type de bloc (1s1\text{s}, 2p2\text{p}, 3s3\text{s}, etc.). Chaque ligne (couche) commence par une sous-couche s et se termine par une sous-couche p\text{p} (à l’exception de l’hélium).

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À retenir

  • La première couche K\text{K} comprend une seule sous-couche : 1s1\text{s}.
  • La deuxième couche L\text{L} comprend deux sous-couches : 2s2\text{s} et 2p2\text{p}.
  • La troisième couche M\text{M} comprend deux sous-couches : 3s3\text{s} et 3p3\text{p}.
  • Les sous-couches de type s ou p qui se succèdent sur les 33 premières lignes : 1s1\text{s}, 2s2\text{s}, 2p2\text{p}, 3s3\text{s} et 3p3\text{p}.

Tout comme la couche K\text{K}, une sous-couche s\text{s} peut contenir jusqu’à deux électrons.
Une sous-couche p\text{p} peut contenir jusqu’à 66 électrons. Ainsi on retrouve la capacité maximale de 88 électrons de la couche L\text{L}, qui est constituée d’une sous couche s\text{s} (max 22 électrons) et d’une sous couche p\text{p} (max 66 électrons).

On note le nombre d’électrons présents en exposant de la sous-couche. H\text{H} est de configuration 1s11\text{s}1, He\text{He} de configuration 1s21\text{s}^{2}. Ensuite, on remplit les sous-couches dans l’ordre : 2s2\text{s}, 2p2\text{p}, 3s3\text{s} et 3p3\text{p} jusqu’à atteindre le nombre total d’électrons de l’atome. C’est la configuration électronique de l’atome dans son état fondamental.

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Exemple

  • Configuration électronique du carbone (66 électrons) est (K)2(L)4\text{(K)}2\text{(L)}4 ou 1s21\text{s}^{2} 2s22p22\text{s}^{2} 2\text{p}^{2}.
  • Configuration électronique de l’aluminium (1313 électrons) est (K)2(L)8(M)3\text{(K)}2\text{(L)}8\text{(M)}_3 : ou 1s21\text{s}^{2} 2s22\text{s}^{2} 2p62\text{p}^{6} 3s23\text{s}^{2} 3p13\text{p}^{1}.

Pour retrouver le nombre d’électrons de valence, il faut additionner les électrons des sous-couches de plus grand numéro de couche. Pour l’aluminium (1s21\text{s}^{2} 2s22\text{s}^{2} 2p62\text{p}^{6} 3s23\text{s}^{2} 3p13\text{p}^{1}), le plus grand numéro de couche est 33, on additionne les exposants de 3s3\text{s} et 3p3\text{p}, soit 2+1=32+1=3. L’aluminium a 33 électrons de valence, le carbone (1s21\text{s}^{2} 2s22p22\text{s}^{2} 2\text{p}^{2}) en a 44 (2+2)(2+2).

Lorsque la configuration est connue, on trouve l’élément dans le tableau par la démarche suivante :

  • le numéro de ligne est le plus grand numéro de couche de la configuration.
  • on se déplace du nombre d’électrons de valence sur la ligne.
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Exemple

L’aluminium est la troisième case remplie de la troisième ligne, le carbone est la quatrième case remplie de la seconde ligne.

Familles chimiques

Les chimistes ont constaté que certains éléments de numéros atomiques Z\text{Z} différents avaient des propriétés chimiques similaires. Par exemple, deux éléments différents réagissent avec un troisième élément de la même manière : sur ce plan, ils sont presque interchangeables. Ils ont observé que les Z\text{Z} se succédaient alors par sauts particuliers.

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Exemple

Un atome de lithium Li\text{Li} (Z=3)(\text{Z}=3), de sodium Na\text{Na} (Z=11)(\text{Z}=11) ou de potassium K\text{K} (Z=19)(\text{Z}=19), a la propriété de former avec un atome de chlore Cl\text{Cl} (Z=17)(\text{Z}=17) un chlorure « un pour un ». Ce sont des sels, le plus connu étant le sel de table : le chlorure de sodium NaCl\text{NaCl}, à chaque fois 1Cl1\,\text{Cl} pour 1Na1\,\text{Na}. Il en est de même pour le chlorure de lithium LiCl\text{LiCl} et le chlorure de potassium KCl\text{KCl}. Ces mêmes atomes formeront avec un atome de fluor (Z=9)(\text{Z}=9) un fluorure « un pour un » : le fluorure de lithium LiF\text{LiF}, le fluorure de sodium NaF\text{NaF} et le fluorure de potassium KF\text{KF}.

Par contre, le chlore formera avec le magnésium \text{Mg}\,(\text{Z}=12) comme avec le calcium \text{Ca}\,(\text{Z}=20) un chlorure « deux pour un » (MgCl2\text{MgCl}2 ou CaCl2\text{CaCl}2). Le fluor formera de même des fluorures « deux pour un » : MgF2\text{MgF}2 ou CaF2\text{CaF}2.

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Astuce

L’hélium (Z=2)(\text{Z}=2), le néon (Z=10)(\text{Z}=10) et l’argon (Z=18)(\text{Z}=18) ont la particularité de ne réagir avec aucun autre atome.

Nous distinguons ainsi quatre familles : celle de F\text{F} et Cl\text{Cl}, celle de Li\text{Li}, Na\text{Na} et K\text{K}, celle de Mg\text{Mg} et Ca\text{Ca} et celle de He\text{He}, Ne\text{Ne} et Ar\text{Ar}. Jusqu’au calcium, les Z\text{Z} des éléments d’une même famille présentent entre eux un saut de 88.

Ces observations ont conduit à construire le tableau périodique de telle sorte que les éléments d’une même famille soient rassemblés par colonne.

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À retenir

Les colonnes du tableau périodique correspondent à des familles chimiques. Les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques similaires. En particulier, ils ont le même nombre d’électrons sur leurs sous-couches s et p. Pour les premières lignes du tableau, ils ont le même nombre d’électrons de valence.

  • La colonne 11 correspond aux métaux alcalins. Cette famille a une particularité : tous ses éléments ont un seul électron de valence. Ils auront tous tendance à céder un et un seul électron.
  • Les éléments de la colonne 22 sont les métaux alcalino-terreux. Ils tendent à céder deux électrons.
  • Les éléments de la colonne 1717 sont les halogènes. Ils forment des molécules diatomiques (par exemple Cl2\text{Cl}_2). Leurs atomes tendent à capter un seul électron.
  • Les éléments de la colonne 1818 sont les gaz nobles. Ces gaz sont extrêmement peu réactifs. Ils sont quasiment inertes et ne rentrent dans la composition d’aucune molécule.

Conclusion :

Le tableau périodique des éléments, ou tableau de Mendeleïev, regroupe l’ensemble des atomes et les classe par numéro atomique croissant. Ce tableau est constitué de lignes qui forment les périodes, et de colonnes qui forment les familles chimiques. Ces dernières rassemblent des atomes ayant des propriétés physico-chimiques similaires, tel que les alcalins, les alcalino-terreux, les halogènes ou les gaz nobles.

Chaque atome est unique et possède une configuration électronique qui lui est propre. Elle permet de préciser l’emplacement des électrons autour du noyaux sur des couches notées K, L et M et des sous-couches notées s\text{s} et p\text{p}.

La position d’un atome dans le tableau est directement liée à sa configuration électronique. En effet, un atome se trouvera à la ligne portant le numéro de sa dernière couche occupée et à la colonne dont le numéro correspond à son nombre d’électron de valence.