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Configuration électronique et stabilité chimique

Déterminer la répartition des électrons en sous-couches (1s, 2s, 2p, etc.) pour des atomes de numéro atomique Z ≤ 18. Prévoir la formation d'ions monoatomiques stables en lien avec la règle de l'octet ou du duet.

Duree estimee : 20 min

Comment se rangent les électrons ?

Imagine un hôtel où les chambres doivent être occupées dans un ordre précis. Les électrons d'un atome font pareil : ils ne se placent pas au hasard, mais remplissent des sous-couches d'énergie, de la plus basse à la plus haute.

Les électrons se répartissent dans des sous-couches notées $1 s$ , $2 s$ , $2 p$ , $3 s$ et $3 p$ . Chaque type a une capacité limitée : une sous-couche ' $s$ ' accueille 2 électrons maximum, et une sous-couche ' $p$ ' en accueille 6 maximum.

Pour les atomes jusqu'au numéro atomique 18, l'ordre de remplissage est toujours :

1 s a r r o w 2 s a r r o w 2 p a r r o w 3 s a r r o w 3 p

Schéma simple en 2D sur fond blanc. Un axe vertical fléché vers le haut indique l'énergie. Des paliers horizontaux représentent les sous-couches. Le niveau le plus bas est marqué 1s, au-dessus le niveau 2s, puis un peu plus haut le niveau 2p, encore au-dessus le 3s et enfin le 3p tout en haut. — On peut voir cet ordre comme des marches d'escalier à gravir.

Prenons le Soufre (S,

Z = 16

). Il a 16 électrons. On remplit la

1 s

(2 élec.), la

2 s

(2 élec.), la

2 p

(6 élec.). Il reste 6 électrons : on remplit la

3 s

(2 élec.) et il en reste 4 pour la

3 p

. Résultat :

1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{4}

Attention : une sous-couche doit être totalement pleine avant de passer à la suivante. Impossible d'entamer la

2 p

si la

2 s

n'a pas ses 2 électrons !

Électrons de valence et tableau périodique

Les électrons situés sur la couche la plus élevée (celle avec le plus grand numéro) sont appelés électrons de valence. Ce sont les plus importants car ils déterminent le comportement chimique de l'atome.

Regarde l'Azote (

Z = 7

) : sa configuration est

1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{3}

. La couche numéro 2 est la dernière occupée. Elle contient 2 électrons en

2 s

et 3 en

2 p

. L'azote a donc

2 + 3 = 5

électrons de valence.

La dernière sous-couche remplie te donne la position dans le tableau : si ça finit par '

s

', l'élément est dans le bloc

s

(colonnes 1-2). Si ça finit par '

p

', il est dans le bloc

p

(colonnes 13-18).

Astuce : Le nombre d'électrons de valence correspond au dernier chiffre du numéro de colonne. Exemple : le Chlore est colonne 17, il a 7 électrons de valence.

Dessin schématique d'un atome vue de dessus sur fond blanc. Au centre un petit rond plein pour le noyau. Un premier cercle autour contient 2 petits points bleus (couche interne). Un deuxième cercle plus large autour contient 5 petits points rouges bien distincts (couche externe). Une légende indique 'électrons de valence' pour les points rouges. — Voici à quoi ressemblent les électrons de valence sur la couche externe.

La quête de la stabilité

Les éléments de la dernière colonne (Hélium, Néon, Argon) sont les Gaz Nobles. Ils sont très stables car leur couche de valence est saturée (pleine).

Pour être stables, les autres atomes cherchent à obtenir la même configuration que le gaz noble le plus proche : c'est la règle du duet (2 électrons externes) ou de l'octet (8 électrons externes).

Pour y arriver, les atomes peuvent gagner ou perdre des électrons et devenir des ions monoatomiques. Cela explique leur charge électrique.

Le Magnésium (Mg,

Z = 12

) finit en

3 s^{2}

(2 électrons de valence). Pour avoir l'octet, le plus simple est de perdre ces 2 électrons. Il devient l'ion magnésium

M g^{2 +}

Le Fluor (F,

Z = 9

) finit en

2 s^{2} 2 p^{5}

(7 électrons de valence). Il lui en manque 1 pour l'octet. Il va donc en gagner un et devenir l'ion fluorure

F^{-}

Les atomes d'une même colonne ont le même nombre d'électrons de valence : ils forment une famille chimique. Par exemple, la famille des alcalins (colonne 1) forme des ions $+ 1$ , et celle des halogènes (colonne 17) forme des ions $- 1$ .

Ne touche jamais au noyau ! Quand un atome devient un ion, seul le nombre d'électrons change. Le nombre de protons (

Z

) reste identique.

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