Couche de Valence et Tableau Périodique: Explications

Ce résumé de cours est consacré aux électrons de valence. Tout d'abord, nous apprendrons la configuration électronique et la valence. Nous verrons ensuite la couche et les électrons de valence. Ensuite, nous apprendrons à utiliser le tableau périodique pour déterminer les électrons de valence. Puis, nous explorerons la réaction et l'état d'oxydation. Avant de terminer, nous verrons les familles chimiques et comment identifier les électrons de valence de l'atome d'hydrogène. Enfin, nous apprendrons ce qu'est la liaison ionique et covalente.

Configuration Électronique

Contrairement aux protons, les électrons n'habitent pas le noyau, ils orbitent autour des protons et des neutrons selon des schémas spécifiques. Ces schémas sont ensuite exprimés par la configuration électronique. La configuration électronique est l'expression numérique d'un espace \( 3D \) autour du noyau d'un atome. La configuration électronique est l'arrangement des électrons dans les couches, les sous-couches et les orbitales à l'intérieur de l'atome.

Couches Électroniques

Les couches électroniques sont également connues sous le nom de niveaux d'énergie. Chaque couche a un nombre quantique principal spécifique. Plus les couches s'éloignent du noyau, plus leur nombre quantique principal augmente et plus, elles ont un niveau d'énergie élevé.

Sous-couches Électroniques

Les sous-couches sont des divisions à l'intérieur de chaque couche. Elles ont également des niveaux d'énergie différents : la sous-couche \( s \) a l'énergie la plus basse, puis \( p \) , puis \( d \) , puis \( f \) . Chaque sous-couche contient un nombre différent d'orbitales. Par exemple, la sous-couche s ne comporte qu'une seule orbitale, tandis que les sous-couches \( p \) en comportent trois et les sous-couches \( d \) cinq.

Orbitales Électroniques

Les orbitales sont des régions de l'espace où un électron peut se trouver dans \( 95 \% \) des cas. Chaque orbitale peut contenir au maximum deux électrons. Ces électrons doivent avoir des spins différents : l'un a un spin ascendant, l'autre un spin descendant. Les orbitales ont également des formes différentes en fonction de leur sous-couche.

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Si nous rassemblons tout cela, la configuration électronique est simplement le nombre d'électrons présents dans chaque orbitale atomique, ainsi que la couche et la sous-couche dans lesquelles ils se trouvent.

La Valence

La valence est la propriété d'un élément qui détermine le nombre d'autres atomes avec lesquels un atome de cet élément peut se combiner. Dans l'étude de la réactivité chimique, les électrons du niveau d'énergie principal le plus éloigné sont très importants et portent donc le nom des électrons de valence.

Couche de Valence : Définition

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.

Remarque: la couche de valence d’un atome est aussi appelée couche externe.

La couche la plus externe d'un atome est appelée couche de valence et les électrons qui résident dans la couche de valence sont appelés électrons de valence. Lorsque les électrons de valence d'un atome reçoivent suffisamment d'énergie d'une force extérieure, ils peuvent se détacher de l'atome parent et devenir ce que l'on appelle des électrons libres.

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Électrons de Valence : Définition

Définition: 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).

Remarque Les électrons de valence sont aussi appelés électrons externes.

Les électrons de valence sont les électrons qui existent dans le niveau d'énergie le plus externe/le plus élevé d'un atome. Ce sont les électrons qui participent à la liaison.

Comment Trouver la Couche de Valence ?

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.

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• L’atome de lithium (Z=3) a pour configuration électronique 1s22s1 , 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 1s22s22p4 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 1s22s22p63s23p1 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 Électrons de Valence

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.

L'une des façons les plus simples de trouver les électrons de valence est de vérifier la position des éléments dans le tableau périodique. Les électrons de valence d'un élément peuvent être trouvés en examinant de près la colonne verticale dans laquelle les éléments sont regroupés. En regardant le numéro de groupe indiqué, on peut identifier le nombre d'électrons de valence que possède un élément figurant dans cette colonne spécifique.

Fig.1 - Groupes dans le tableau périodique.

Travaillons sur un problème :

Combien d'électrons de valence y a-t-il dans les atomes suivants : a) \( Cl \) b) \( Ga \) c) \( Sr \)

• Le chlore se trouve dans le \( 7^ème \) groupe, il a donc sept électrons de valence.
• Pour le gallium, il se trouve dans le \( 3^ème \) groupe, il a donc trois électrons de valence.
• Pour le strontium, il se trouve dans le deuxième groupe en face, il a donc deux électrons de valence.

En résumé, les électrons de valence d'un atome neutre sont les suivants :

Cette méthode ne s'applique qu'aux atomes neutres. Si un atome a une charge, la formule est :

$$ nombre \ d'électrons \ de \ valence= nombre \ d'électrons \ de \ valence \ dans \ un \ atome \ neutre - charge $$

Travaillons sur quelques exemples,

Combien d'électrons de valence possèdent les ions suivants ? a) \( O^{2-} \) b) \( Mg^+ \)

Les électrons de valence de \( O^{2-} \) sont :

$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence = 6-(-2) $$$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence=8 $$

Et pour \( Mg^+ \) :

$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence= 2-1 $$$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence= 1 $$

Ions et Électrons de Valence

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.

1. 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)
2. on trouve configuration électronique.
3. on identifie sa couche de valence (qui n’est pas nécessairement la même que celle de la forme atomique en particulier pour les cations)
4. on en déduite le nombre d’électrons de valence en comptant le nombre d’électrons sur la couche de valence.

• Le soufre (Z=16) forme l’ion monoatomique sulfure de formule chimique S2-. 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: 1s22s22p63s23p6 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: 1s22s22p6 Sa couche de valence est la couche n°2 L’ion sulfure possède donc un total de 2 + 6 = 8 électrons de valence.

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.

Molécules et Liaisons Covalentes

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.

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.

Réactions d'Oxydoréduction

L'état d'oxydation d'un élément nous renseigne sur les électrons de cet élément. L'état d'oxydation est la charge théorique d'un élément si toutes ses liaisons sont entièrement ioniques (les électrons sont soit donnés, soit pris, et non partagés).

L'état d'oxydation nous indique :

• Charge \( +x \) \( \rightarrow \) perte de \( x \) électrons.
• Charge \( -x \) \( \rightarrow \) gain de \( x \) électrons.

Ainsi, il manque un électron à un atome dont l'état d'oxydation est \( +1 \) .

Les éléments ont généralement \( 1 \) ou \( 2 \) états d'oxydation communs en raison du nombre d'électrons de valence qu'ils possèdent à l'état neutre.

Par exemple, le bore possède \( 3 \) électrons de valence. Cela signifie qu'il a deux options : perdre trois électrons pour avoir une couche pleine, ou gagner \( 5 \) électrons pour avoir une couche pleine. Étant donné que les atomes choisissent toujours la voie la plus facile, le bore perdra trois électrons, ce qui explique son état d'oxydation \( +3 \) .

Autre exemple, l'hydrogène peut avoir un état d'oxydation de \( +1 \) ou de \( -1 \) . Comme il ne possède qu'un seul électron de valence, il peut choisir de remplir ou de perdre sa couche. L'état \( +1 \) est le plus courant, mais il existe des composés qui contiennent de l'hydrogène dans un état \( -1 \) (comme \( BeH_2 \) , où \( Be \) a un état d'oxydation \( +2 \) . L'hydrogène est appelé proton lorsqu'il est à l'état \( +1 \) , et hydrure lorsqu'il est à l'état \( -1 \) .

À partir de maintenant, je ferai référence à l'état d'oxydation en tant que "charge", puisqu'il s'agit de la charge théorique de l'élément.

Espèces Chargées

En règle générale, les éléments se lient à d'autres espèces afin de remplir leur octet. Toutefois, ce n'est pas toujours le cas. Le bore possède \( 3 \) électrons de valence, il peut donc former \( 3 \) liaisons et donner ces trois électrons. Cependant, cela ne signifie pas toujours que le bore formera trois liaisons. Par exemple, le bore peut former \( 4 \) liaisons avec l'hydrogène pour former \( BH_{4}^{+} \) .

Familles Chimiques

Une famille chimique est un groupe d'éléments ayant des propriétés chimiques similaires. Elles sont généralement associées aux colonnes verticales du tableau périodique. Le terme "famille" est synonyme de "groupe".

Les deux mots ayant défini des ensembles d'éléments différents au fil des ans, l'UICPA recommande d'utiliser le système numérique de numérotation des éléments du groupe \( 1 \) au groupe \( 18 \) plutôt que les noms communs des familles ou des groupes. Dans ce contexte, les familles se distinguent par la position orbitale de l'électron le plus externe. En effet, le nombre d'électrons de valence est le principal facteur permettant de prédire les types de réactions auxquelles un élément participera, les liaisons qu'il formera, son état d'oxydation et un grand nombre de ses propriétés chimiques et physiques.

• Le groupe \( 18 \) du tableau périodique est également connu sous le nom de famille des gaz nobles ou groupe des gaz nobles. Ces éléments possèdent \( 8 \) électrons dans la couche de valence.
• Le groupe \( 1 \) est également connu sous le nom de métaux alcalins ou groupe du lithium. Les éléments de ce groupe possèdent un électron orbital dans la couche externe.
• Le groupe \( 16 \) est également connu sous le nom de groupe de l'oxygène ou de famille des chalcogènes.

Atome d'Hydrogène

Les électrons de valence sont le nombre total d'électrons dans la dernière couche électronique. Le nombre total d'électrons dans la dernière couche après la configuration électronique de l'hydrogène s'appelle les électrons de valence de l'atome d'hydrogène.

Les électrons de valence déterminent les propriétés de l'élément et participent à la formation des liaisons.

Comment calculer le nombre d'électrons de valence d'un atome d'hydrogène ?

Les électrons de valence doivent être déterminés en suivant quelques étapes. La configuration électronique est l'une d'entre elles.

Cependant, les électrons de valence peuvent être facilement identifiés en arrangeant les électrons selon le principe de Bohr. Nous allons maintenant apprendre à déterminer les électrons de valence de l'atome d'hydrogène.

1. Détermine le nombre total d'électrons dans l'atome d'hydrogène ;
2. Écris la configuration électronique de l'atome d'hydrogène ;
3. Déterminer le nombre total d'électrons dans la couche de valence.

La configuration électronique \( 1s^{1} \) montre que la dernière couche de l'atome d'hydrogène possède un électron. Par conséquent, les électrons de valence de l'hydrogène sont au nombre d'un.

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