La Couche de Cœur : Découvrez Son Rôle Crucial en Chimie et Pourquoi Elle Compte !

La configuration électronique de l'état fondamental d'un élément est la signature de sa structure interne et gouverne ses propriétés chimiques. Compte tenu de l'organisation en couches du nuage électronique, il est raisonnable de distinguer entre les couches internes et la couche externe.

Électrons de Cœur et Électrons de Valence

Dans l'écriture des configurations électroniques, on fait apparaître cette distinction en définissant deux catégories d'électrons :

Les électrons de cœur sont ceux qui peuplent les orbitales internes. Pour un élément donné, ils correspondent à la configuration du gaz rare qui précède cet élément dans la classification. On symbolise la configuration des électrons de cœur par le symbole du gaz rare entre parenthèses.
Les électrons de valence peuplent les orbitales des couches périphériques occupées. La configuration de valence est notée classiquement en alignant les symboles des sous-couches et en portant en exposant le nombre d'électrons de la sous-couche.

Exemples de Configurations Électroniques

Pour illustrer ces concepts, prenons quelques exemples :

Exemple 1 : Le Sodium (Z=11)

Le gaz rare précédent est le néon (\(Z=10\)). La configuration complète s'écrit \(1\textrm s^2 2\textrm s^2 2\textrm p^6 3\textrm s^1\). On l'écrit plus synthétiquement \((\textrm{Ne}) 3\textrm s^1\).

Exemple 2 : Le Titane (Z=22)

Le gaz rare précédent est l'argon (\(Z=18\)). Il y a donc 18 électrons de coeur et 4 électrons de valence. On écrit la configuration sous la forme \((\textrm{Ar}) 4\textrm s^2 3\textrm d^2\). Les électrons de valence appartiennent ici à des couches différentes. Les sous-couches \(3\textrm s\) et \(3\textrm p\) sont de coeur et les sous-couches \(3\textrm d\) et \(4\textrm s\) de valence.

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Exemple 3 : L'Arsenic (Z=33)

Le gaz rare précédent est l'argon (\(Z=18\)). On écrit la configuration sous la forme \((\textrm{Ar}) 4\textrm s^2 3\textrm d^{10} 4\textrm p^3\).

La Couche de Valence : Définition et Importance

Par définition, la couche de valence d’un atome (ou d’un ion) correspond à la plus haute couche électronique occupée par des électrons. Cette couche comporte les électrons les plus éloignés du noyau, elle constitue la limite entre l’atome et l’espace extérieur.

C’est cette couche et ses électrons qui sont amenés à interagir avec les autres entités chimiques et c’est d’elle dont dépendent les propriété chimique d’un atome. La couche de valence d’un atome est aussi appelée couche externe.

Électrons de Valence : Rôle et Détermination

Les électrons de valence d’un atome sont les électrons appartenant à la couche de valence d’un atome. Ce sont les électrons dont l’orbite est la plus éloignée du noyau et qui sont les plus exposés aux autres entités chimiques.

Les électrons de valence d’un atome sont responsables des propriétés chimiques de cet atome, ce sont eux qui peuvent être perdus lors de la transformation en cation et ce sont aussi eux qui permettent à l’atome de se lier (pour former des liaisons dites covalentes). Les électrons de valence sont aussi appelés électrons externes.

La couche de valence d’un atome peut être déterminée à partir de sa configuration électronique: il s’agit de la dernière couche notée dans cette configuration électronique.

Exemples de Détermination de la Couche de Valence

L’atome de lithium (Z=3) a pour configuration électronique \(1s^22s^1\), sa couche de valence est la couche n°2, elle ne comporte qu’une seule sous-couche (2s) qui ne comporte qu’un électron par conséquent le lithium possède un seul électron de valence.
L’atome d’oxygène (Z=8) a pour configuration électronique \(1s^22s^22p^4\), sa couche de valence est couche n°2, elle comporte une sous-couche 2s avec deux électrons ainsi qu’une sous-couche 2p qui possède 4 électrons par conséquent l’atome d’oxygène possède un total de 2+4 = 6 électrons de valence.
L’atome d’aluminium (Z=13) a pour configuration électronique \(1s^22s^22p^63s^23p^1\), sa couche de valence est couche n°3, elle comporte une sous-couche 3s avec deux électrons ainsi qu’une sous-couche 3p qui possède 1 électron par conséquent l’atome d’aluminium possède un total de 2+1 = 3 électrons de valence.

Tableau Périodique et Configuration Électronique

Le tableau périodique classe les éléments chimiques en tenant compte de leur configuration électronique, l’une de ses règles est de faire figurer sur une même période (ligne) uniquement des éléments ayant la même couche de valence.

Les électrons de valence d’un atome constituent sa frontière, ils sont exposés au milieu extérieur avec lequel ils sont susceptibles d’interagir. Les propriétés chimiques d’un atome dépendent de ses électrons de valence.

Les autres électrons sont parfois qualifiés d’électrons de coeur, ils sont séparé du milieu extérieur par la couche externe qui constitue en quelque sorte une “barrière” limitant fortement leurs interactions avec ce milieu extérieur. Les électrons de coeurs n’interviennent donc pas dans les processus chimiques.

Puisque les éléments d’une même famille ont le même nombre d’électrons de valence ils ont donc aussi des propriétés chimiques proches.

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Détermination des Électrons de Valence des Ions Monoatomiques

Si l’on connait le numéro atomique d’un atome et la formule de l’ion monoatomique qu’il forme alors on peut déterminer le nombre d’électrons de valence de cet ion. En effet la charge excédentaire précisée dans la formule d’un ion permet de déterminer le nombre d’électrons gagnés ou perdus par rapport à la forme atomique.

Il suffit d’utiliser cette donnée pour trouver le nombre total d’électrons de l’ion afin d’obtenir sa configuration électronique et d’en déduire son nombre d’électrons sur sa couche de valence.

On détermine le nombre d’électron de l’ion (en général à partir du numéro atomique de l’élément chimique et de la formule de l’ion ou en exploitant les règles de stabilité).
On trouve configuration électronique.
On identifie sa couche de valence (qui n’est pas nécessairement la même que celle de la forme atomique en particulier pour les cations).
On en déduite le nombre d’électrons de valence en comptant le nombre d’électrons sur la couche de valence.

Exemples de Détermination des Électrons de Valence des Ions

Le soufre (Z=16) forme l’ion monoatomique sulfure de formule chimique \(S^{2-}\). L’atome de soufre possède 16 électrons (Z=16) et l’ion sulfure possède deux électrons supplémentaire (puisque qu’il porte deux charges négatives excédentaires indiquées par l’exposant 2-). Par conséquent l’ion sulfure possède un total de 16 + 2 = 18 électrons. La configuration électronique de l’ion sulfure est donc: \(1s^22s^22p^63s^23p^6\). Sa couche de valence est la couche n°3 L’ion sulfure possède donc un total de 2 + 6 = 8 électrons de valence.
Le sodium (Z=11) forme l’ion monoatomique sodium de formule chimique \(Na^+\). L’atome de sodium possède 11 électrons (Z=11) et l’ion sodium possède un électron de moins (puisque qu’il porte une charges positive excédentaires indiquée par l’exposant +). Par conséquent l’ion sodium possède un total de 11 - 1 = 10 électrons. La configuration électronique de l’ion sulfure est donc: \(1s^22s^22p^6\). Sa couche de valence est la couche n°2 L’ion sulfure possède donc un total de 2 + 6 = 8 électrons de valence.

Règles de Stabilité des Ions

Les règles de stabilité (règles du duet et de l’octet) impliquent que les ions des trois premières périodes du tableau périodique possèdent soit deux soit huit électrons de valence (ou exceptionnellement aucun).

qu’il y a 2 électrons de valence pour les ions lithium hydrure (H-), (Li+), béryllium (Be2+) et bore (B3+)
qu’il y a huit électrons de valence pour les ions oxyde (O2-), fluorure (F-), sodium (Na+), magnésium (Mg2+), aluminium (Al3+), sulfure (S2-), chlorure (Cl-), Potassium (K+) et Calcium (Ca2+).
L’ion hydrogène (H+) est une exception qui ne possède aucun électron de valence.

Les Molécules et la Liaison Covalente

Lorsqu’un atome fait partie d’une molécule il forme une ou plusieurs liaisons covalentes avec d’autres atomes. Un atome qui forme une liaison covalente possède un électron de valence de plus que l’atome isolé. Un atome qui forme deux liaisons covalentes possède deux électrons de valence supplémentaires par rapport à sa forme atomique isolée.

Un atome avec trois liaisons bénéficie de trois électrons de valence en plus par rapport à l’atome seul.

Dans une molécule l’atome d’hydrogène (H) a deux électrons de valence
Dans une molécule les atomes de carbone (C), d’azote (N), d’oxygène (O), de fluor (F), de silicium (Si), de phosphore (P), de soufre (S) et de chlore (Cl) possèdent chacun huit électrons de valence.

Représentation de Lewis

La représentation de Lewis est une représentation montrant tous les électrons de valence des atomes d’une molécule soit sous forme de doublets liants (liaison entre deux atomes) soit sous forme de doublets non liants.

que l’hydrogène, entouré d’un seul doublet liant, y possède deux électrons de valence.
que le soufre entouré de quatre doublets (deux liants et deux non liants) y possède 4 x 2 = 8 électrons de valence.

En Résumé

En somme, la couche de cœur et les électrons de valence sont des concepts essentiels pour comprendre la structure électronique des atomes et leurs propriétés chimiques. La configuration électronique, le tableau périodique, et les règles de stabilité permettent de déterminer le nombre d'électrons de valence et de prédire le comportement chimique des éléments.

Tableau Récapitulatif des Ions Monoatomiques Communs

Ion	Configuration Électronique
\(\ce{H^{+}}\)	\(1\text{s}^0\)
\(\ce{Na^{+}}\)	\(1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6\)
\(\ce{K^{+}}\)	\(1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6\)
\(\ce{Ca^{2}^+}\)	\(1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6\)
\(\ce{Mg^{2}^+}\)	\(1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6\)
\(\ce{Cl^{-}}\)	\(1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6\)
\(\ce{F^{-}}\)	\(1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6\)

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La Couche de Cœur : Définition et Importance en Chimie