Fil d'Ariane
Mis à jour le mardi 24 mai 2016
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J'ai tout compris !

La danse des électrons

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Nous avons vu dans le chapitre 2 que les atomes sont constitués d'un noyau formé de protons et de neutrons, et d'électrons gravitant autour de celui-ci. J'ai déjà sous-entendu auparavant que les électrons respectaient certaines règles dans leur organisation dans l'atome. Nous allons commencer par étudier ces règles.

Cela mis à part, je dois vous faire une confidence ... je vous ai menti. :euh:
Eh oui, dans le chapitre précédent, je vous ai dit que le nombre d'électrons présents dans un atome était égal au numéro atomique Z. C'est faux, ce n'est pas toujours le cas. Vous pensiez que l'atome de chlore possédait toujours 17 électrons ? Détrompez-vous !

La valence, une affaire d'électrons

Jusqu'à maintenant, nous avons vu que les électrons gravitent autour du noyau de l'atome, qu'ils sont de charge négative, très petits, et très légers comparé aux protons et aux neutrons.
Voyons maintenant comment ils sont positionnés autour du noyau. Vous verrez, les électrons sont plutôt bien organisés.

Couches électroniques

Couches électroniquesCliquez pour agrandirComme je viens de le dire, les électrons se trouvent autour du noyau de l'atome. Ce que vous ne savez pas encore, c'est qu'ils respectent un positionnement par couches. Ces couches électroniques sont au nombre de 7 et sont représentées par des lettres. En partant du centre de l'atome, nous croisons successivement les couches : K, L, M, N, O, P et Q (voir l'image ci-contre).

Les couches électroniques n'ont pas la même capacité, celle-ci étant donnée par $\(2\times n^2\)$, où n représente le numéro de la couche (K = 1, L = 2, ...). Ainsi, la couche K contient au maximum 2 × 1² = 2 électrons. Par contre, la couche L est plus éloignée du noyau et donc un peu plus grande : elle peut contenir jusqu'à 2 × 2² = 8 électrons. La couche M peut contenir jusqu'à 2 × 3² = 18 électrons, la couche N possède au maximum 2 × 4² = 32 électrons. Quant aux trois autres couches (O, P et Q), leur capacité maximale est encore plus grande, mais elle n'a jamais été atteinte parmi les atomes connus.

Les électrons commencent d'abord par remplir les couches intérieures de l'atome. C'est-à-dire que la couche L ne se remplira que lorsque la couche K contiendra déjà des électrons. De même, la couche M ne commencera à se remplir que lorsque les couches K et L contiendront des électrons, et ainsi de suite. Le nombre d'électrons par couche électronique d'un atome est indiqué dans le tableau périodique que je vous ai donné : ce sont les chiffres verts situés à droite de chaque case du tableau.

Bon, ça ne doit pas encore être très clair pour vous. Je vais prendre un exemple afin de rendre ça moins abstrait.
Dans le tableau périodique, regardons la case de l'oxygène (n°8). Les chiffres verts situés à droite de la case nous donnent le nombre d'électrons que contient chaque couche : 2 et puis 6. La couche K contient donc 2 électrons (dans ce cas-ci, elle est remplie) et la couche L en contient 6 (elle n'est pas remplie car elle peut en contenir 8). Nous pouvons donc représenter l'atome d'oxygène comme ceci :

Image utilisateur

Valence chimique

Les électrons de l'atome d'oxygène sont donc répartis sur les deux couches K et L. La couche externe est appelée couche de valence et contient les électrons de valence. Par exemple, dans le cas de l'oxygène, la couche de valence est la couche L qui contient 6 électrons de valence. Ces électrons sont importants, car ce sont ceux-ci qui joueront un rôle dans les liaisons que formera l'atome puisque ce sont les moins attachés au noyau, les plus libres. Nous verrons comment les liaisons se forment dans le chapitre suivant.

Le nombre d'électrons de valence de chaque atome est donné dans le tableau périodique : en haut, sous le nom des groupes (1 (Ia), 2 (IIa),...), il y a des schémas en forme de croix, contenant des points verts et parfois des barres. Chaque point représente un électron de valence. Quant aux barres, elles représentent chacune deux électrons de valence (c'est un doublet, nous verrons cela plus tard).

Un atome peut former plusieurs liaisons avec d'autres atomes. Ce nombre de liaisons est donné par la valence de l'atome en question. Vous pouvez trouver les valences de chaque atome dans le tableau périodique (quand je vous dis que c'est une perle ce tableau ! ;) ). Dans les schémas en croix que je viens de vous présenter, il suffit de compter le nombre de points (sans les barres !) pour connaître la valence de chaque atome de la colonne. Il est important de remarquer que l'on note une valence en chiffres romains.

Cliquez pour agrandir
Cliquez pour agrandir

On imagine souvent que les atomes ont des bras pour donner un sens plus concret à la valence. Par exemple, l'atome d'oxygène possède deux bras et est donc capable de former deux liaisons. En simplifiant extrêmement, on peut dire qu'il donne la main à deux autres atomes en même temps (et pas plus, il n'a que deux bras !).

Remarquez que le dernier groupe, celui des gaz rares (colonne de droite du tableau périodique), possède une valence nulle. Cela signifie que les atomes de ce groupe ne formeront pas de liaisons. Ils sont inertes, ils ne réagissent pas.

Au fait, tu as oublié les groupes 3 à 12 dans ton schéma. Quelle est leur valence ?

En général, les atomes de transition (groupes 3 à 12) ont une valence II. Cependant, il existe de nombreuses exceptions :

Numéro atomique Z

Symbole de l'atome

Nom de l'atome

Valence

24

Cr

Chrome

II ou III

25

Mn

Manganèse

II ou III

26

Fe

Fer

II ou III

27

Co

Cobalt

II ou III

47

Ag

Argent

I

79

Au

Or

I ou III

80

Hg

Mercure

I ou II

Il existe aussi d'autres exceptions chez les éléments non transitoires (groupes 1, 2 et de 13 à 18). Nous verrons beaucoup plus tard pourquoi ces exceptions existent, mais en attendant il est intéressant que vous reteniez ces deux-ci :

Numéro atomique Z

Symbole de l'atome

Nom de l'atome

Valence

50

Sn

Étain

II ou IV

82

Pb

Plomb

II ou IV

Notion d'ion

Dans le chapitre précédent, je vous ai dit que le nombre Z était égal au nombre de protons et au nombre d'électrons : Z = nombre de p+ = nombre de e-. Cela n'est pas toujours vrai. Le nombre Z donne bien le nombre de protons, mais le nombre d'électrons peut varier. Les ions sont des atomes ayant gagné ou perdu au moins un électron.

Ainsi par exemple, l'atome d'oxygène tel qu'on l'a vu jusqu'à maintenant possédait 6 électrons (car Z = 6). Cependant, il existe des atomes d'oxygène possédant 8 électrons. Ce sont des ions car ils n'ont plus 6 électrons (ici, il en ont gagné deux).
Autre exemple : l'atome d'hydrogène, qui possède d'habitude un électron (Z = 1), peut perdre cet électron et devenir un ion.

Les anions

Nous avons vu également que les électrons ont une charge négative (-) et les protons une charge positive (+), ce qui confère à l'atome une charge globalement neutre (il y a autant de + que de -). Lorsqu'un atome gagne un électron, il forme un ion de charge globale négative appelé anion. En effet, il y a à ce moment plus d'électrons que de protons.

Prenons par exemple l'atome de chlore, Cl, qui possède 17 électrons et 17 protons. Imaginons qu'il reçoive un électron venu de l'extérieur : il contient maintenant 18 électrons et 17 protons. Il y a donc 18 charges négatives et 17 charges positives. Finalement, nous remarquons que l'ion possède une charge négative de trop : l'atome est noté Cl-. Ce schéma peut vous aider à comprendre :

Formation de l'anion chloreCliquez pour agrandir

Retenez que l'anion est un atome ayant gagné au moins un électron. Sa charge globale est négative. L'anion sera noté X- s'il possède une charge négative de trop, X-- ou X2- s'il en possède deux, X--- ou X3- s'il en possède trois. On va plus rarement au-delà.
Exemples : O2-, Br-, P3-,...

Les cations

À l'inverse des anions, les cations sont des atomes ayant perdu au moins un électron. Leur charge globale est positive et un cation sera noté X+, X2+, X3+, etc.

Prenons l'exemple de l'atome de sodium, constitué de 11 électrons et de 11 protons (Z = 11). S'il perd un électron, il possèdera toujours les 11 protons, mais plus que 10 électrons. Sa charge globale est donc positive car il y a un proton de plus : le cation sera noté Na+.

Formation du cation sodiumCliquez pour agrandir

Petit truc mnémotechnique : pour ne pas confondre anion et cation, retenez qu'il y a un "n" en commun dans anion = négatif.

Petit exemple pratique : les ions dans l'eau

Vous vous dites peut-être que tout cela, ce n'est que de la théorie, que les ions ça n'existe pas vraiment. Je vais vous prouver le contraire !
Prenez une bouteille d'eau et regardez les informations contenues sur l'étiquette. Quelque part, vous devriez trouver un cadre reprenant quelques ions contenus dans votre eau, comme celui-ci :

Étiquette d'une bouteille d'eau : vous pouvez voir quelques ions en présence

Sur cette étiquette, nous voyons qu'il y a des cations Ca2+, Na+, Mg2+, K+ et des anions HCO3-, SO42-, Cl- et NO3-. Le nombre correspondant à chaque ion indique la concentration de celui-ci dans l'eau, c'est-à-dire sa quantité dans un litre. Par exemple, un litre de mon eau contient 65 milligrammes de cation calcium Ca2+.

Si un type d'ions est présent en trop grande quantité, cela peut engendrer des problèmes de santé chez le consommateur. L'intérêt de faire de telles analyses est donc de vérifier que l'eau n'est pas toxique... Ce qui est toujours intéressant pour un producteur s'il compte vendre l'eau de sa source sans tuer des millions de personnes. :lol:

On peut aussi comparer différentes eaux afin de choisir celle qui nous convient le mieux. Par exemple, il est conseillé de donner une eau avec peu d'ions aux bébés, et en particulier peu de NO3-.

Exercices

Vous pouvez utiliser votre tableau périodique pour tous les exercices de ce chapitre.

Exercice 1 : Concerne les ions. Complétez le tableau suivant.

Ion

Nombre de p+

Nombre de e-

Nombre de n0

F-

?

?

?

H+

?

?

?

Cu++

?

?

?

S2-

?

?

?

K+

?

?

?

?

26

23

30

?

35

35

45

?

53

54

74

?

38

36

50

?

7

10

7

Ion

Nombre de p+

Nombre de e-

Nombre de n0

F-

9

10

10

H+

1

0

0

Cu++

29

27

35

S2-

16

18

16

K+

19

18

20

Fe3+ (ou Fe+++)

26

23

30

Br

35

35

45

I-

53

54

74

Sr2+ (ou Sr++)

38

36

50

N3- (ou N---)

7

10

7

Remarque : Vous pouvez remarquer que l'ion H+ n'est autre qu'un simple proton.

Exercice 2 : Concerne les couches électroniques, la valence. Complétez le tableau suivant.

Atome

Nombre d'e-

Électrons par couche

Couche de valence

Valence

K

L

M

N

O

P

Q

Exemple : Be

4

2

2

0

0

0

0

0

L

II

C

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

Ni

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

14

?

?

4

?

?

?

?

?

?

?

?

2

8

8

2

0

0

0

?

?

Ba

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

Rn

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

Mg2+

?

?

?

?

?

?

?

?

?

---

Se2-

?

?

?

?

?

?

?

?

?

---

As-

?

?

?

?

?

?

?

?

?

---

Atome

Nombre d'e-

Électrons par couche

Couche de valence

Valence

K

L

M

N

O

P

Q

Exemple : Be

4

2

2

0

0

0

0

0

L

II

C

6

2

4

0

0

0

0

0

L

IV

Ni

28

2

8

16

2

0

0

0

0

II le plus souvent

Si

14

2

8

4

0

0

0

0

M

IV

Ca

20

2

8

8

2

0

0

0

N

II

Ba

56

2

8

18

18

8

2

0

P

II

Rn

86

2

8

18

32

18

8

0

P

Pas de valence

Mg2+

10

2

8

0

0

0

0

0

L

---

Se2-

36

2

8

18

8

0

0

0

N

---

As-

34

2

8

18

6

0

0

0

N

---

Au travers de ce chapitre, nous avons vu des notions très importantes concernant les électrons. Voici un petit résumé pour fixer les idées :

  • La couche de valence : couche non vide la plus éloignée du noyau. Elle contient les électrons de valence qui participent aux liaisons chimiques.

  • La valence : nombre de liaisons que peut former un atome.

  • Les ions : atomes ayant gagné (anion) ou perdu (cation) un ou plusieurs électrons.

Si je vous ai parlé de tout ça, ce n'est pas pour vous embêter mais pour vous préparer au chapitre suivant qui traite des liaisons inter-atomiques. Nous savons déjà que les molécules sont constituées d'atomes "collés" les uns aux autres. Mais cette colle, qu'est-ce que c'est exactement ? Comment se fait-il que deux atomes se lient ? Pour le savoir, je vous donne rendez-vous au chapitre suivant. :)

Exemple de certificat de réussite
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