Physique-Chimie — Seconde
Le cortège électronique et le tableau périodique — Physique-Chimie Seconde (chapitre 5)
Configuration électronique et tableau périodique en seconde : couches et sous-couches 1s 2s 2p 3s 3p, règle de remplissage, électrons de valence, position…
Par ProfBot
Le cortège électronique et le tableau périodique
Chapitre 5 — Constitution et transformations de la matière · Seconde générale et technologique
Le chapitre 4 a montré que la masse et l'identité d'un atome sont dans son noyau. Sa chimie, elle, est ailleurs : elle est dans le cortège électronique, et plus précisément dans les quelques électrons les plus éloignés du noyau. C'est parce que le sodium en a un de trop et le chlore un de moins qu'ils réagissent si violemment ensemble.
Ce chapitre apprend à écrire la répartition des électrons d'un atome, puis à lire cette répartition directement dans le tableau périodique — le document le plus utile de toute la chimie.
Au programme officiel. Le cortège électronique de l'atome définit ses propriétés chimiques ; configuration électronique (1s, 2s, 2p, 3s, 3p) d'un atome à l'état fondamental et position dans le tableau périodique (blocs s et p) ; électrons de valence ; familles chimiques. Déterminer la position de l'élément dans le tableau périodique à partir de la donnée de la configuration électronique de l'atome à l'état fondamental. Déterminer les électrons de valence d'un atome ($Z \leqslant 18$) à partir de sa configuration électronique à l'état fondamental ou de sa position dans le tableau périodique. Associer la notion de famille chimique à l'existence de propriétés communes et identifier la famille des gaz nobles.
1. Les électrons s'organisent en sous-couches
Les électrons d'un atome ne sont pas rangés n'importe comment : ils se répartissent dans des sous-couches que l'on désigne par un chiffre et une lettre — $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$ — et dont chacune ne peut accueillir qu'un nombre limité d'électrons.
Deux règles suffisent pour $Z \leqslant 18$.
1. Capacité : une sous-couche $s$ contient au plus $2$ électrons, une sous-couche $p$ au plus $6$.
2. Ordre de remplissage : les électrons occupent d'abord les sous-couches de plus basse énergie, dans l'ordre $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$. On ne commence une sous-couche que lorsque la précédente est pleine.
Les sous-couches, rangées par énergie croissante de bas en haut, avec leur capacité. Un atome dans son état fondamental — l'état le plus stable, le seul étudié en seconde — remplit ces cases dans l'ordre, sans en sauter aucune. Le chiffre ($1$, $2$, $3$) est le numéro de couche ; la lettre désigne le type de sous-couche.
La configuration électronique d'un atome est la liste de ses sous-couches occupées, avec le nombre d'électrons de chacune en exposant. Pour l'atome de sodium ($Z = 11$, donc $11$ électrons) :
$\mathrm{Na} : 1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}$
On vérifie toujours son écriture en additionnant les exposants : $2 + 2 + 6 + 1 = 11 = Z$. Si la somme ne fait pas $Z$, la configuration est fausse.
Trois exemples. Le carbone ($Z=6$) s'arrête en cours de remplissage de la sous-couche $2p$ ; le sodium ($Z=11$) commence tout juste la couche $3$ ; le chlore ($Z=17$) a presque terminé sa sous-couche $3p$. La dernière couche entamée est encadrée : c'est elle qui décide de toute la chimie de l'élément.
2. Les électrons de valence
Définition. Les électrons de valence d'un atome sont les électrons de sa couche externe, c'est-à-dire ceux dont le numéro de couche est le plus grand. Tous les autres sont dits électrons de cœur.
Pour le sodium $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}$, la couche la plus haute est la couche $3$ : le sodium possède un seul électron de valence. Pour le chlore $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{5}$, la couche $3$ contient $2 + 5 = 7$ électrons : le chlore a sept électrons de valence.
Pourquoi eux seuls comptent. Ce sont les électrons les plus éloignés du noyau, donc les moins retenus : ce sont eux qui sont perdus, gagnés ou partagés lors des réactions. Deux éléments qui ont le même nombre d'électrons de valence ont des propriétés chimiques voisines — c'est exactement le principe du tableau périodique.
3. Le tableau périodique
Les éléments y sont rangés par numéro atomique croissant, ligne après ligne, avec un retour à la ligne chaque fois qu'une nouvelle couche commence à se remplir. Cette construction très simple a une conséquence remarquable :
La règle de lecture.
— Le numéro de ligne (ou période) est le numéro de la couche externe de l'atome.
— Le numéro de colonne est lié au nombre d'électrons de valence : dans les deux premières colonnes (bloc $s$), il y a $1$ puis $2$ électrons de valence ; dans les six dernières (bloc $p$), on en compte $3$, $4$, $5$, $6$, $7$ et $8$.
Les dix-huit premiers éléments. La ligne donne la couche externe, la colonne le nombre d'électrons de valence. Le sodium est dans la $3^{\text{e}}$ ligne et la $1^{\text{re}}$ colonne : sa couche externe est la couche $3$ et il y a $1$ électron. On retrouve $3s^{1}$ sans avoir rien calculé.
Ce sens de lecture fonctionne dans les deux directions, et c'est ce que le programme demande :
- de la configuration à la position : $\mathrm{S} : 1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{4}$ → couche externe $3$, et $2 + 4 = 6$ électrons de valence → $3^{\text{e}}$ ligne, $16^{\text{e}}$ colonne ;
- de la position à la configuration : $16^{\text{e}}$ colonne de la $3^{\text{e}}$ ligne → $6$ électrons de valence sur la couche $3$ → $3s^{2}\,3p^{4}$, et les couches inférieures sont pleines.
4. Les familles chimiques
Définition. Une famille chimique est une colonne du tableau périodique. Ses éléments ont le même nombre d'électrons de valence, donc des propriétés chimiques voisines.
Trois familles sont à connaître.
| Famille | Colonne | Électrons de valence | Propriétés |
|---|---|---|---|
| Alcalins ($\mathrm{Li}$, $\mathrm{Na}$, $\mathrm{K}$…) | 1<sup>re</sup> | 1 | métaux mous, réagissent violemment avec l'eau, forment des ions $\mathrm{X^{+}}$ |
| Halogènes ($\mathrm{F}$, $\mathrm{Cl}$, $\mathrm{Br}$, $\mathrm{I}$) | 17<sup>e</sup> | 7 | très réactifs, forment des ions $\mathrm{X^{-}}$ |
| Gaz nobles ($\mathrm{He}$, $\mathrm{Ne}$, $\mathrm{Ar}$…) | 18<sup>e</sup> | 8 (sauf $\mathrm{He}$ : 2) | chimiquement inertes : ils ne réagissent pratiquement avec rien |
L'hydrogène est un cas à part : on l'écrit en haut de la première colonne, mais il n'est pas un alcalin — c'est un gaz, et sa chimie est la sienne.
Les gaz nobles, la référence de toute la chimie. Leur inertie n'est pas une curiosité : c'est la clé du chapitre 6. Un gaz noble a sa couche externe saturée — $2$ électrons pour l'hélium, $8$ pour le néon et l'argon — et cette configuration est particulièrement stable. Tous les autres atomes « cherchent » à l'atteindre, en perdant, en gagnant ou en partageant des électrons. C'est ce qui va expliquer d'un coup la charge des ions et la formule des molécules.
Exercices corrigés
Exercice 1 — Écrire des configurations électroniques
Établir la configuration électronique, à l'état fondamental, des atomes suivants : $\mathrm{Be}$ ($Z = 4$), $\mathrm{O}$ ($Z = 8$), $\mathrm{Al}$ ($Z = 13$), $\mathrm{Ar}$ ($Z = 18$).
Correction. On remplit dans l'ordre $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, sans jamais dépasser $2$ électrons en $s$ ni $6$ en $p$, et on vérifie la somme. — $\mathrm{Be}$ : $1s^{2}\,2s^{2}$ ($2+2 = 4$) ; — $\mathrm{O}$ : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{4}$ ($2+2+4 = 8$) ; — $\mathrm{Al}$ : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{1}$ ($2+2+6+2+1 = 13$) ; — $\mathrm{Ar}$ : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{6}$ ($2+2+6+2+6 = 18$).
Exercice 2 — De la configuration à la position
Un atome a pour configuration $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{3}$.
a. Quel est son numéro atomique ? De quel élément s'agit-il ? b. Combien a-t-il d'électrons de valence ? c. Où se situe-t-il dans le tableau périodique ? d. À quelle famille appartient l'élément situé juste à sa droite dans la même ligne ?
Correction. a. $Z = 2 + 2 + 3 = 7$ : c'est l'azote $\mathrm{N}$. b. Sa couche externe est la couche $2$, qui porte $2 + 3 = 5$ électrons : il a 5 électrons de valence. c. Couche externe $2$ → $2^{\text{e}}$ ligne ; $5$ électrons de valence dans le bloc $p$ → $15^{\text{e}}$ colonne. d. L'élément suivant est l'oxygène ($Z = 8$), $16^{\text{e}}$ colonne — la famille de l'oxygène et du soufre, qui ont $6$ électrons de valence.
Exercice 3 — De la position à la configuration
Un élément se trouve dans la $3^{\text{e}}$ ligne et la $2^{\text{e}}$ colonne du tableau périodique.
a. Combien d'électrons de valence possède-t-il ? Sur quelle couche ? b. Écrire sa configuration électronique et donner son numéro atomique. c. À quelle famille appartient-il ? Quel ion va-t-il probablement former ?
Correction. a. La $2^{\text{e}}$ colonne correspond à $2$ électrons de valence ; la $3^{\text{e}}$ ligne indique qu'ils sont sur la couche $3$. b. Les couches $1$ et $2$ sont pleines : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}$, d'où $Z = 12$ — c'est le magnésium. c. Il est dans la même colonne que le béryllium et le calcium (famille des alcalino-terreux). Comme eux, il perdra ses deux électrons de valence pour atteindre la configuration du néon : il formera l'ion $\mathrm{Mg^{2+}}$ (chapitre 6).
Exercice 4 — Familles et propriétés
a. Le lithium ($Z = 3$) et le sodium ($Z = 11$) réagissent tous deux violemment avec l'eau. Expliquer à partir de leurs configurations. b. Pourquoi l'argon ne réagit-il avec presque rien ? c. Le fluor ($Z = 9$) et le chlore ($Z = 17$) forment respectivement les ions $\mathrm{F^{-}}$ et $\mathrm{Cl^{-}}$. Quel point commun le justifie ?
Correction. a. $\mathrm{Li} : 1s^{2}\,2s^{1}$ et $\mathrm{Na} : 1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}$ : tous deux ont un électron de valence, faiblement retenu et facile à céder. Même nombre d'électrons de valence, donc même comportement chimique — ils sont dans la même colonne. b. $\mathrm{Ar} : 1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{6}$ : sa couche externe porte $8$ électrons, elle est saturée. Il n'a donc ni électron à céder facilement, ni place à combler : c'est un gaz noble, chimiquement inerte. c. Tous deux ont sept électrons de valence ($2s^{2}2p^{5}$ et $3s^{2}3p^{5}$) : il ne leur en manque qu'un pour saturer leur couche externe. Gagner un électron les amène à la configuration d'un gaz noble, d'où l'ion de charge $-1$.
L'essentiel
- Les électrons se répartissent dans les sous-couches $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, remplies dans cet ordre, avec au plus $2$ électrons en $s$ et $6$ en $p$.
- La somme des exposants d'une configuration électronique vaut $Z$ : c'est le contrôle à faire systématiquement.
- Les électrons de valence sont ceux de la couche de plus grand numéro ; ce sont eux qui font la chimie.
- Dans le tableau périodique, la ligne donne la couche externe et la colonne le nombre d'électrons de valence.
- Une famille chimique est une colonne : mêmes électrons de valence, mêmes propriétés.
- Les gaz nobles ont une couche externe saturée ($2$ ou $8$ électrons) : ils sont inertes, et servent de référence de stabilité à toute la chimie.