Déjà plus de
1 million
d'inscrits !
Stabilité et charge électrique d'une entité chimique
Déjà plus de
1 million
d'inscrits !
Avant de commencer, regarde la vidéo
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 :
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 électrons de valence, excepté l’hélium qui n’en possède que .
La structure atomique des gaz nobles des trois premières périodes est :
Les autres éléments n’existent pas naturellement sous forme d’atomes isolés.
On donne le nom d’élément chimique à l’ensemble d’entités chimiques (atome, isotope ou ion) caractérisées par le même nombre de protons du noyau.
Quelques propriétés et utilisations des gaz nobles.
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.
Propriétés des ions sodium et sulfure :
L’atome de carbone est un cas particulier, il ne donne pas d’ions, car il lui faudrait perdre ou gagner électrons ce qui demande une énergie trop importante. Mais, il pourra former des liaisons avec d’autres atomes, comme le méthane ou encore le dioxyde de carbone .
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 (, ou ) et négatif pour les anions (, ou ).
La structure électronique des ions s’écrit en suivant les mêmes règles que celles pour l’atome, c’est-à-dire par remplissage successif des différentes sous-couches par énergie croissante.
L’ion magnésium a pour numéro atomique et possède électrons.
Sa charge totale est , soit deux charges élémentaires ( protons et électrons).
Formule de l’ion magnésium .
On peut déduire sa structure électronique de celle de l’atome correspondant :
Il perd électrons et donc à retirer des sous-couches externes soit :
Sa structure électronique correspond aussi à la structure du gaz noble le plus proche : le néon .
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. [/TAB]
Les légendes colorées correspondent aux 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 et les atomes cherchent à compléter leur couche de valence à ou électrons pour obtenir une structure électronique saturée plus stable similaire à celle d’un gaz noble.
G. Lewis proposa un modèle de liaison chimique, en postulant l’existence de doublets électroniques appartenant à la couche de valence.
Représentation de Lewis :
La représentation de Lewis d’une espèce chimique permet de représenter toutes les liaisons : les doublets liants et les doublets non-liants des atomes.
Pour former les liaisons, des électrons sont mis en commun entre deux atomes par paires formant des doublets liants :
Les électrons ne participant pas à la liaison, ils se regroupent par paires et forment des doublets non liants.
Dans une molécule, chaque atome est entouré d’un ou quatre doublets soit ou électrons.
La formule de Lewis
Une méthode permet d’écrire la formule de Lewis d’une molécule : l’utilisant d’un tableau.
Ligne A | Formule brute et nom de la molécule |
Ligne B | Nom et symbole de chaque atome de la molécule |
Ligne C | Configuration électronique de la couche de valence |
Ligne D | Nombre d’électrons de valence de chaque atome |
Ligne E | Nombre d’électrons à apporter pour saturer la couche de valence et obtenir la configuration électronique du gaz noble le plus proche |
Ligne F | Nombre de liaisons covalentes que doit former chaque atome |
Ligne G | Nombre de doublets non liants autour de chaque atome |
Prenons le chlorure d’hydrogène
A : formule brute | (chlorure d’hydrogène gazeux) | |
B : atomes | (hydrogène) | (chlore) |
C : couche de valence | ||
D : électrons de valence | ||
E : nombre à apporter | ||
F : nombre liaisons de covalence | ||
G : nombre doublets non liants |
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 ( ou ) autour de chaque atome.
Écriture de la formule de Lewis du chlorure d’hydrogène gazeux
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 la liaison entre 2 atomes liés. Mais, par conservation d’énergie, elle se trouve être la même que celle qu’il faut fournir pour la rompre.
L’énergie de liaison se note et s’exprime en joule .
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.
Molécule | Liaison covalente | Doublets liants | Énergie de liaison |
simple | 1 | ||
double | 2 | ||
triple | 3 |
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.