Cours : Configuration électronique d'un atome

Tableau périodique des éléments

Le chimiste russe Dmitri Mendeleïev publia en 1869, un tableau de classification des 63 éléments chimiques connus à l’époque. Aujourd’hui, le tableau comporte 118 éléments dont 92 naturels. Le tout étant ordonné par masse atomique croissante et regroupé par famille d’éléments (colonnes).

Rappel

La notation atomique d’un noyau comporte :

• un nombre $A$ de nucléons ;
• un nombre $Z$ de protons ;
• un nombre de neutrons avec $A - Z$.

L’atome comporte autant d’électrons que de protons (soit $Z$ électrons), c’est pourquoi il est électriquement neutre.

L’écriture conventionnelle de l’atome est la suivante : $$^{A}_{Z}X$$

Exemple

$^{35}_{17}\text{Cl}$ représente l’atome de chlore.

L’atome $\text{Cl}$ a un nombre de protons $Z = 17$ et un nombre de neutrons $A-Z=35-17=18$.
Le nombre d’électrons est donc de $17$.

Nous allons étudier plus précisément les trois premières lignes ou périodes du tableau soit les atomes de numéro atomique $Z ≤ 18$, de l’hydrogène à l’argon.
Quand $Z$ augmente la masse atomique augmente, c’est-à-dire que le noyau comporte de plus en plus de nucléons, et le rayon atomique augmente aussi et comporte de plus en plus d’électrons. Et donc le cortège électronique occupe un espace plus grand.

Couches électroniques

Le modèle planétaire proposé par Ernest Rutherford (Nouvelle-Zélande) en 1911 a été amélioré en 1913 par le danois Niels Bohr pour expliquer certains faits expérimentaux. C’est ce modèle que nous utiliserons pour expliquer les propriétés chimiques des atomes.

L’énergie des électrons qui gravitent autour du noyau ne peut prendre que certaines valeurs, cette énergie est quantifiée.

• L’atome est stable quand son énergie totale est minimale.

À retenir

Les électrons sont répartis suivant des couches notées par un nombre entier $n$.
Chaque couche peut être subdivisée en sous-couches notées $\text{s}$, $\text{p}$, $\text{d}$, $\text{f}$ contenant chacune un nombre limité d’électrons.

Pour l’étude des atomes de numéro atomique $Z \leq 18$, nous n’utiliserons que les couches $1$, $2$ et $3$ et les sous-couches $\text{s}$ et $\text{p}$.

• Remplissage des couches :
• la couche 1 comporte au maximum 2 électrons ;
• la couche 2 comporte au maximum 8 électrons ;
• la couche 3 comporte 8 électrons (en utilisant uniquement les sous-couches $\text{s}$ et $\text{p}$).
• Le nombre maximal d’électrons est donné par $2\times\text{n}^2$.
• Remplissage des sous-couches :
• la sous-couche $\text{s}$ comporte au maximum 2 électrons ;
• la sous-couche $\text{p}$ comporte au maximum 6 électrons.

Attention

En réalité, la couche 3 comporte au maximum 18 électrons, car elle est subdivisée en 3 sous-couches : $3\text{s}$ ; $3\text{p}$ ; $3\text{d}$. Chaque sous-couches comportent respectivement $2$, $6$ et $10$ électrons.

Les sous-couches et couches électroniques se remplissent successivement et intégralement par ordre d’énergie croissante. Quand une couche $n$ est totalement remplie on dit qu’elle est saturée.

À retenir

Voici l’ordre de remplissage des sous-couches : $1\text{s}$ ; $2\text{s}$ ; $2\text{p}$ ; $3\text{s}$ ; $3\text{p}$, avec $Z \leq 18$.

Exemple

Configuration électronique de l’aluminium dans son état fondamental, état énergétique le plus stable.

$^{27}_{13}\text{Al} : 1\text{s}^{2}\,2\text{s}^{2}\,2\text{p}^{6}\,3\text{s}^{2}\,3\text{p}^{1}$

$2\text{p}^{6}$ signifie que la couche $n=2$ comporte $6$ électrons, elle est saturée. L’addition de tous les exposants $2+2+6+2+1 = 13$ est bien égale au numéro atomique.

Électrons de valence et familles chimiques

Électrons et couches de valence

Définition

Électrons de valence :

On appelle électrons de valence d’un atome les électrons appartenant à la dernière couche occupée, appelée couche de valence. Ces électrons sont les moins liés au noyau.

Par exemple, l’atome de sodium $\text{Na}$ comporte un électron de valence $(3\text{s}^{1})$, l’atome d’aluminium $\text{Al}$ en comporte $3$ $(3\text{s}^{2}\,3\text{p}^{1})$.

• Les atomes d’une même colonne comportent le même nombre d’électrons de valence.

Le tableau ci-dessous présente le nombre d’électrons de valence (entre parenthèses) des atomes des éléments des trois premières lignes du tableau périodique. La première colonne indique la couche de valence ($1$, $2$ ou $3$).

Les couches de valence $\text{s}$ (colonnes 1 et 2) comportent $1$ ou $2$ électrons de valence.
Les couches de valence $\text{s}^{2}\,\text{p}$ (colonnes 13 à 18) comportent de $3$ à $8$ électrons de valence, la couche $\text{s}^{2}$ est saturée avec deux électrons.

Familles chimiques

Les électrons de valence sont les plus éloignés du noyau donc les moins attirés. La force d’attraction dépend de la distance. La couche de valence d’un élément est responsable de ses propriétés chimiques, formation d’ions, de liaisons chimiques.

• Les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques similaires et forment une famille chimique.
• Colonne 1, groupe $\text{s}$, couche de valence $\text{s}^1$, famille des métaux alcalins.

Le sodium $\text{Na}$ est un métal mou, de couleur argentée et très réactif avec l’eau et l’air. Dans la nature, il n’a pas cette forme, mais nous le trouvons le plus souvent sous la forme de composés chimiques, notamment dans le sel de cuisine. Mais aussi dans les ampoules à vapeur de sodium donnant un éclairement de couleur jaune (éclairage public). Les métaux alcalins forment facilement des cations (ions positifs).

• Colonne 2, groupe $\text{s}$, couche de valence $\text{s}^2$, famille des métaux alcalino-terreux.

Si nous prenons le béryllium $\text{Be}$, de la famille des métaux alcalino-terreux d’aspect gris acier. Ce métal est un très bon conducteur thermique et électrique. Nous pouvons le retrouver dans la nature sous forme d’oxydes. Dans cette famille les éléments possèdent 2 électrons dans leur couche de valence.

• Colonne 17, groupe $\text{p}$, couche de valence $\text{s}^{2}\,\text{p}^5$, famille des halogènes.

La famille des halogènes comporte 4 éléments.

• Colonne 18, groupe $\text{p}$, couche de valence $\text{s}^{2}\,\text{p}^6$, famille des gaz nobles ou rares.

C’est une famille chimique très homogène de gaz monoatomique, leur couche de valence est saturée pour qu’il n’y ait aucune liaison covalente avec d’autres atomes.