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Stabilité et charge électrique d'une entité chimique

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Introduction :

Un ion est une entité chimique chargée électriquement qui possède un nombre d’électrons différent du nombre de protons contenus dans son noyau. Les ions peuvent être mis en évidence par des tests chimiques, comme par exemple l’apparition d’un précipité caractéristique ou encore la coloration d’une flamme. Une molécule est un assemblage d’au moins deux atomes et peut être représentée par sa formule brute, par un modèle moléculaire ou encore par l’utilisation d’un logiciel donnant une vision 3D.

Dans un premier temps, nous nous intéresserons aux caractéristiques des gaz nobles, puis à celles des ions monoatomiques. Pour ensuite aborder la représentation d’une molécule avec le schéma de Lewis et de l’énergie qui permet de lier les atomes entre eux, sous forme de molécule.

Les gaz nobles

En se référant au tableau périodique, nous trouvons à la colonne 18 les éléments suivants : l’hélium He\text{He}, le néon Ne\text{Ne}, l’argon Ar\text{Ar}, le krypton Kr\text{Kr}, le xénon Xe\text{Xe} et le radon Rn\text{Rn}. Ils sont appelés gaz inertes, mais on peut aussi les appeler gaz nobles ou gaz rares car ils ne réagissent pratiquement pas avec les autres éléments.
On peut expliquer cette stabilité par la configuration électronique de leur couche de valence qui est saturée. Ils possèdent 88 électrons de valence, excepté l’hélium qui n’en possède que 22.
La structure atomique des gaz nobles des trois premières périodes est :

  • He\text{He} : 1s21\text{s}^{2}
  • Ne\text{Ne} : 1s22s22p61\text{s}^{2}\,2\text{s}^{2}\,2\text{p}^{6}
  • Ar\text{Ar} : 1s22s22p63s23p61\text{s}^{2}\,2\text{s}^{2}\,2\text{p}^{6}\,3\text{s}^{2}\,3\text{p}^{6}

Les autres éléments n’existent pas naturellement sous forme d’atomes isolés.

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Définition

Élément chimique :

On donne le nom d’élément chimique à l’ensemble d’entités chimiques (atome, isotope ou ion) caractérisées par le même nombre de protons ZZ du noyau. Lors d’une transformation chimique il y a conservation de l’élément chimique.

Quelques propriétés et utilisations des gaz nobles :

  • Le symbole de l’hélium est He\text{He}, de nombre atomique Z=2Z = 2 et de masse atomique g=4gmolg = 4\text{g}\cdot\text{mol}. Une des utilisations bien connue de l’hélium est le gonflage de ballons de baudruche ou stratosphériques ou encore de dirigeables. Ce gaz a remplacé le dihydrogène H2\text{H}_2 inflammable comme le témoigne l’explosion du dirigeable Hindenburg en 1937.
  • Le néon de symbole Ne\text{Ne}, de nombre atomique Z=10Z=10 et de masse atomique g=20,18gmolg = 20,18\text{g}\cdot\text{mol} est présent dans les tubes luminescents et des enseignes lumineuses.
  • L’argon noté Ar\text{Ar} a pour nombre atomique Z=18Z=18 et une masse atomique de g=39,1gmolg = 39,1\text{g}\cdot\text{mol}. Il permet la soudure sous atmosphère protectrice pour éviter l’oxydation.
  • Le radon noté Rn\text{Rn}, de nombre atomique Z=86Z=86 est le seul gaz noble radioactif.

Les ions monoatomiques

Au cours des transformations chimiques, les atomes cherchent à compléter leur couche de valence pour obtenir la configuration électronique du gaz noble le plus proche dans la classification. Ils peuvent capter ou céder des électrons et devenir des ions positifs (cations) ou négatifs (anions) ou partager des électrons en réalisant des liaisons chimiques.

Propriétés des ions sodium Na+\text{Na}^+ et sulfure S2\text{S}^{2-} :

Formule de l’ion Nom de l’élément Nucléons Protons Neutrons Électrons Structure
Na+\text{Na}^+ Soduim (Na)(\text{Na}) 2323 1111 1212 1010 1s22s22p61\text{s}^{2}\,2\text{s}^{2}\,2\text{p}^{6}
S2\text{S}^{2-} Soufre (S)(\text{S}) 3232 1616 1616 1818 1s22s22p63s23p61\text{s}^{2}\,2\text{s}^{2}\,2\text{p}^{6}\,3\text{s}^{2}\,3\text{p}^{6}
bannière à retenir

À retenir

Un atome qui perd des électrons devient un ion positif (cation), un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif (anion).

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Attention

L’atome de carbone C\text{C} est un cas particulier, il ne donne pas d’ions, car il lui faudrait perdre ou gagner 44 électrons ce qui demande une énergie trop importante. Mais, il pourra former des liaisons avec d’autres atomes, comme le méthane CH4\text{CH}4 ou encore le dioxyde de carbone CO2\text{CO}2.

Étant composés d’un seul noyau la formule chimique des ions monoatomiques est constituée d’un symbole atomique et d’un exposant positif pour les cations (++, 2+2+ ou 3+3+) et négatif pour les anions (-, 22- ou 33-). La structure électronique des ions s’écrit en suivant les mêmes règles que pour l’atome par remplissage successif des différentes sous-couches par énergie croissante.

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Exemple

L’ion magnésium a pour numéro atomique Z=12Z=12 et possède 1010 électrons. Sa charge totale est 12e10e=2e12\text{e} - 10\text{e} = 2\text{e}, soit deux charges élémentaires (1212 protons et 1010 électrons).

Formule de l’ion magnésium Mg2+\text{Mg}^{2+}. On peut déduire sa structure électronique de celle de l’atome correspondant Mg : 1s22s22p63s21\text{s}^{2}\,2\text{s}^{2}\,2\text{p}^{6}\,3\text{s}^{2} qui perd deux électrons, à retirer des sous-couches externes soit Mg2+\text{Mg}^{2+} : 1s22s22p61\text{s}^{2}\,2\text{s}^{2}\,2\text{p}^{6} qui correspond aussi à la structure du gaz noble le plus proche le néon Ne\text{Ne}.

  • La perte d’un ou plusieurs électrons, appelé ionisation, demande un apport d’énergie suffisant, au cours d’une réaction chimique, grâce à l’énergie électrique (électrolyse), par un frottement mécanique (électrisation d’un isolant) ou sous l’influence d’un rayonnement électromagnétique (lumière).
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Astuce

Utilisons le tableau périodique simplifié pour trouver la charge de quelques ions. Les atomes de la colonne 1 peuvent perdre 1 électron, ceux de la colonne 2 en perdre 2 et donner des cations. Les atomes des colonnes 17 peuvent gagner 1 électron pour donner des anions.

n=1 ion hydrogène H+\text{H}^+ hélium $\text{He}$
n=2 $$#x27; in math mode at position 17: hélium $̲\text{He}$ …" style="color:#cc0000"> hélium $\text{He}$
n=2 ion fluorure F\text{F}^- néon Ne\text{Ne}
n=3 ion sodium Na+\text{Na}^+ ion magnésium Mg2+\text{Mg}^{2+} ion Chlorure $\text{Cl}^-$ argon $\text{Ar}$
n=4 ion potassium $\text{K}^+$ ion calcium $\text{Ca}^{2+}$ $$#x27; in math mode at position 23: …1]ion Chlorure $̲\text{Cl}^-$[11…" style="color:#cc0000"> ion Chlorure $\text{Cl}^-$ argon $\text{Ar}$
n=4 ion potassium $\text{K}^+$ ion calcium $\text{Ca}^{2+}$
Colonnes 1 2 17 18

Légendes colorées : ions ayant la même structure électronique du gaz noble le plus proche.

Les molécules

La représentation de Lewis

Les éléments chimiques autres que les gaz nobles n’existent pas naturellement sous forme d’atomes isolés. Ils forment des ions, des cristaux ou des molécules. Lors d’une transformation chimique, il y a conservation des éléments chimiques donc des noyaux. Seuls interviennent les électrons de valence, les atomes cherchent à compléter leur couche de valence à 2 ou 8 électrons pour obtenir une structure électronique saturée plus stable similaire à celle d’un gaz noble.

  • Des plus simples (H2\text{H}_2) aux plus complexes (ADN\text{ADN}), les molécules sont formées d’entités chimiques stables et neutres.

G. Lewis proposa un modèle de liaison chimique, en postulant l’existence de doublets électroniques appartenant à la couche de valence.

Pour former les liaisons, des électrons sont mis en commun entre deux atomes par paires formant des doublets liants (un doublet liant pour une liaison simple, deux pour une liaison double et trois pour une liaison triple soit respectivement 2, 4 ou 6 électrons mis en commun entre deux atomes).
Les électrons ne participant pas à la liaison, se regroupent par paires et forment des doublets non liants.

Chaque doublet liant est représenté par un trait entre deux atomes, chaque doublet non liant par un trait autour de l’atome. Dans une molécule, chaque atome est entouré d’un ou quatre doublets soit 2 ou 8 électrons.

La formule de Lewis

  • Une méthode permet d’écrire la formule de Lewis d’une molécule : l’utilisant d’un tableau.

Ligne A : la formule brute de la molécule et éventuellement son nom.
Ligne B : le nom et le symbole de chaque atome présent dans la molécule.
Ligne C : la configuration électronique de la couche de valence.
Ligne D : le nombre d’électrons de valence de chaque atome.
Ligne E : le nombre d’électrons à apporter pour saturer la couche de valence et obtenir la configuration électronique du gaz noble le plus proche.
Ligne F : le nombre de liaisons covalentes que doit former chaque atome.
Ligne G : le nombre de doublets non liants autour de chaque atome.

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Exemple

Prenons le chlorure d’hydrogène HCl\text{HCl}

A : formule brute HCl\text{HCl} ( chlorure d’hydrogène gazeux )
B : atomes H\text{H} (hydrogène) Cl\text{Cl} ( chlore )
C : couche de valence s1\text{s}^{1} s2p5\text{s}^{2}\,\text{p}^{5}
D : électrons de valence 11 77
E : nombre e- à apporter 11 11
F : nombre liaisons de covalence 11 11
G : nombre doublets non liants 00 33

Remarques :
Les lignes E et F sont identiques, chaque liaison covalente « apporte » un électron à la couche de valence de chaque atome.
La somme des lignes F et G indique le nombre total de doublets (1 ou 4) autour de chaque atome.

Écriture de la formule de Lewis correspondante :

IMG01

Quelques molécules à connaître :

  • eau (H2O)(\text{H}_{2}\text{O}) : (forme coudée)

IMG02

  • dioxyde de carbone (CO2)(\text{CO}_2) : (molécule linéaire)

IMG03

La formule de Lewis donne la structure des molécules et permet dans certains cas de déduire leur forme géométrique, due en particulier aux forces de répulsion entre les doublets.

Énergie de liaison

La mise en commun d’électrons de valence confère, à la liaison formée, une énergie permettant la stabilité chimique des molécules.

  • On appelle énergie de liaison, au sens strict l’énergie nécessaire pour former une liaison. Mais, par conservation d’énergie, elle se trouve être la même que celle qu’il faut fournir pour la rompre.

Ainsi plus l’énergie de liaison est élevée, plus il est difficile de la rompre et donc plus la molécule est stable. Cette énergie peut se calculer ou bien se mesurer expérimentalement (par exemple en mesurant la quantité de chaleur produite par la combustion du carbone dans le dioxygène pour former du dioxyde de carbone). L’unité d’énergie est le joule (J\text{J}).

Molécule Liaison covalente Doublets liants Énergie (×1019J)(\times10^{-19}\,\text{J})
H2\text{H}2 simple 1 7,3
O2\text{O}2 double 2 8,3
N2\text{N}_2 triple 3 15,6

Conclusion :

La stabilité des entités chimiques provient de la répartition des électrons dans les différentes sous-couches qui se remplissent par énergie croissante.
Dans les molécules l’énergie des liaisons de covalence (simple, double ou triple) ainsi que l’énergie de répulsion entre doublets assurent leur stabilité.
La représentation de Lewis est un modèle permettant la justification de certains faits expérimentaux, réactivité chimique de certaines molécules, représentation spatiale. Les réactions chimiques dépendent de la couche de valence des entités chimiques et il y a conservation des noyaux.