La structure électronique. Classification périodique

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1 Chapitre 6 La structure électronique. Classification périodique Contenu du chapitre exercices application exercice maison Pour aller plus loin activités TP 11 p p.192 Nathan 10 p. 283 ➊ p.70 Hachette TP7 14 p p.193 Nathan 17 p.284 TP8 15 p.193 Nathan 17 p.193 Nathan A la fin de ce chapitre Notions et SAV APP ANA VAL REA Je maîtrise Je ne maîtrise contenus pas Répartition des électrons en différentes couches K, L, M Répartition des électrons pour les éléments compris entre 1 et 18 Les règles du duet et de l octet Applications aux ions monoatomiques usuels Notions et SAV APP ANA VAL REA Je maîtrise Je ne maîtrise contenus pas Démarche de Mendeleïev pour établir sa classification Critères actuels de la classification : numéro atomique et nombre d électrons de la couche externe Familles chimiques Classification périodique des éléments Table 6.2 Tableau des notions et contenus du chapitre 6 Table 6.1 Tableau des notions et contenus du chapitre 6

2 Compétences SAV APP ANA VAL REA Je maîtrise Je ne maîtrise attendues pas Dénombrer les électrons de la couche externe Connaître et appliquer les règles du duet et de l octet pour rendre compte des charges des ions monoatomiques usuels Localiser dans la classification périodique, les familles des alcalins, des halogènes et des gaz nobles Utiliser la classification pério- dique pour retrouver la charge des ions monoatomiques Table 6.3 Tableau des compétences du chapitre 6 I Structure électronique de l atome Couche électronique La physique quantique a permis de mettre en évidence que les électrons ne se répartissaient pas aléatoirement autour du noyau mais que ceux-ci parcouraient des zones de l espace bien déterminées appelées des couches électroniques. Ces couches se remplissent progressivement d électrons quand Z augmente d un élément chimique à un autre. La couche la plus proche du noyau est appelée la couche K et peut contenir au maximum 2 électrons. La couche L, plus externe que la couche K (plus éloignée du noyau), peut contenir 8 électrons et enfin la couche M, plus externe que la couche L, peut en contenir 18. Introduction Dans ce chapitre, nous allons chercher à comprendre comment la Classification Périodique est construite. Seule la mécanique quantique permet de complètement rationaliser cette construction en introduisant le concept de couche électronique. couche nombre maximal nombre total d électrons d électrons K 2 2 L 8 10 M Classe de Seconde Générale 2

3 Structure électronique Pour un atome, donner la répartition des électrons entre ces différentes couches électroniques c est donner la configuration électronique (ou structure électronique) de l atome. Tous les électrons de l atome se répartissent entre ces différentes couches en commençant par la couche K, puis L, puis M. La configuration électronique de l atome se présente sous la forme (K) k (L) l (M) m avec k, l et m le nombre d électrons dans chaque couche. Ainsi, l atome d hydrogène, qui ne possède qu un électron, possédera la configuration électronique (K) 1 alors que l hélium qui possède deux électrons aura la configuration électronique (K) 2. Ensuite, le lithium qui possède 3 électrons aura la configuration électronique (K) 2 (L) 1 et ainsi de suite jusqu à Z = 18. Les configurations électroniques des éléments de Z=1 à Z=18 sont à savoir retrouver rapidement. Exercice On donne le numéro atomique des atomes suivants : carbone C (Z=6) néon Ne (Z=10) chlore Cl (Z=17) 1. Quel est leur nombre d électrons? 2. Etablir leur formule électronique. 3. Déterminer le nombre d électrons sur les couches externes de ces atomes. 1. Les atomes étant des édifices électriquement neutres, ils possèdent autant d électrons que de protons donc le carbone a 6 électrons, le néon 10 et le chlore Pour le carbone C : (K) 2 (L) 4, pour le néon Ne : (K) 2 (L) 8 et pour le chlore Cl : (K) 2 (L) 8 (M) 7 Couche électronique externe La dernière couche qui est occupée par au moins un électron est appelée couche externe, les couches inférieures sont appelées couches internes. Si seule la couche K est occupée, la couche K est la couche externe de l atome. La notion de couche externe est importante en chimie car se sont les électrons qui sont sur cette couche qui sont responsables des propriétés chimiques des éléments, ce sont eux notamment qui participent à la formation des ions et des molécules. II 3. Le chlore possède 4 électrons externes dans sa couche L, le néon 8 dans sa couche L et le chlore 7 dans sa couche M. Structure électronique et charge des ions Structure électronique stable Les atomes forment des ions afin d acquérir les structures électroniques particulièrement stables (K) 2, (K) 2 (L) 8 ou (K) 2 (L) 8 (M) 8. Par exemple, le lithium qui a la configuration électronique Li : (K) 2 (L) 1, possède un électron dans sa couche L. En perdant cet électron, le lithium Classe de Seconde Générale 3

4 possède la configuration électronique (K) 2 avec uniquement une couche K remplie d électrons ce qui lui confère une importante stabilité. La perte d un électron de l atome de lithium permet la formation du cation Li + qui est la forme la plus courante du lithium dans la nature. De même, l aluminium qui a la configuration électronique (K) 2 (L) 8 (M) 3 va pouvoir céder 3 électrons pour former le cation Al 3+ (il a alors la configuration électronique (K) 2 (L) 8 ) alors que le chlore, qui a la configuration électronique (K) 2 (L) 8 (M) 7, peut gagner un électron pour remplir sa couche M et former l anion Cl (il a alors la configuration électronique (K) 2 (L) 8 (M) 8 ). Règles du duet et de l octet, Charge d un ion monoatomique à partir de la structure électronique On distingue les éléments qui tendent à avoir la configuration électronique (K) 2 des éléments qui tendent à avoir la configuration électronique (K) 2 (L) 8 ou (K) 2 (L) 8 (M) 8. Dans le premier cas, les éléments suivent la règle du duet car la couche externe contient deux électrons. Dans le second cas, les éléments suivent la règle de l octet car la couche externe contient 8 électrons. Les règles du duet et de l octet sont des règles de stabilité pour les atomes et les ions ce qui nous permet de retrouver sous quelle forme ils se trouvent dans la nature. Attention Vous pouvez hésiter entre gagner ou perdre des électrons pour obtenir la configuration électronique d un ion. Dans ce cas, il faut garder à l esprit que c est l ion qui possède la plus petite charge qui sera l ion formé dans la nature car c est le plus stable. Exercice : déterminer la charge d un anion 1. Déterminer la configuration électronique des atomes de : Par exemple, considérons le cas de l aluminium de configuration électronique (K) 2 (L) 8 (M) 3. On forme un ion beaucoup plus stable en perdant 3 électrons de la couche M pour obtenir Al 3+ qu en en gagnant 5 pour former Al 5 qui porte une charge plus grande et est donc moins stable (l ion Al 5 n existe pas dans la nature). (a) fluor F (Z=9) (b) soufre S (Z=16) (c) argon Ar (Z=18) 2. En déduire leur nombre d électrons externes et les ions stables qu ils peuvent donner. Classe de Seconde Générale 4

5 1. (a) F : (K) 2 (L) 7 (b) S : (K) 2 (L) 8 (M) 6 (c) Ar : (K) 2 (L) 8 (M) 8 2. Le fluor possède 7 électrons sur sa couche externe, il suit la règle de l octet et forme l anion F en gagnant un électron. Le soufre suit la règle de l octet et gagne deux électrons pour former l anion S 2. L argon suit déjà la règle de l octet donc il ne forme pas d ions : c est un gaz noble. 1. Par numéro atomique 2. (a) Mendeleïev semble avoir retenu la masse molaire atomique (b) Non, il n a pas toujours suivi ce critère de classement comme dans le cas entre le tellure et l iodure. La justification à cette inversion est que Mendeleïev ne connaissait pas encore la structure de l atome et donc le numéro atomique mais il était conscient que l iodure et le tellure devaient être classés différemment pour des raisons chimiques remarque : On verra dans la suite qu il n y a pas que sous forme d ions que certains atomes peuvent remplir leur couche externe. Il est aussi possible de former des molécules! Pendant longtemps, les chimistes ont cherché à classer les éléments chimiques dans un tableau. Ils n avaient alors pas accès à la configuration électronique qui est le fruit de la physique quantique. (suite) 3. On retrouve ces éléments, classés dans les mêmes colonnes mais avec une répartition différentes sur les lignes III Structure électronique et classification périodique Activité 1 La classification périodique des éléments. 4. (a) Il manque les éléments de la dernière colonne de la classification périodique dans la classification de Mendeleïev (b) Ils se situent dans la colonne la plus à droite de la classification périodique (c) La découverte des gaz rares est postérieure à la conception de la classification de Mendeleiev ce qui explique leur absence Classe de Seconde Générale 5

6 (suite) 7. Mendeleiev a conçu sa classification en faisant des analogies entre les propriétés chimiques des éléments. Ces deux prévisions concernent des éléments chimiques qui n avaient pas encore été découverts mais qui pourtant devaient exister pour compléter la classification de Mendeleïev : le gallium et le germanium 8. Reproduire les trois premières lignes de la classification périodique 9. Li +, Be 2+, Na +, Mg 2+, Al 3+, O 2, F, Cl (suite) 10. On peut en conclure que les éléments tendent à acquérir le nombre d électrons du gaz rare le plus proche d eux dans la classification périodique 11. K +, Ca On constate que les éléments d une même colonne possède le même nombre d électrons de différence avec le gaz rare le plus proche d eux dans la classification périodique Famille chimique Ainsi, les éléments d une même colonne possèdent le même nombre d électrons dans leur couche externe. On dit qu ils appartiennent à une même famille chimique et ils ont des propriétés chimiques similaires. exemple : parmi les éléments de la 7ème colonne on trouve le fluor et le chlore qui ont pour configuration électronique (K) 2 (L) 7 (K) 2 (L) 7 (M) 7 respectivement. Le fait que ces atomes possèdent 7 électrons sur leur couche externe indique bien qu ils se trouvent dans la 7ème colonne de la classification périodique. Certaines familles chimiques possèdent des noms particuliers, c est le cas de la colonne des alcalins (première colonne), des halogènes (17ème colonne) et des gaz nobles (18ème colonne). Période Une ligne de la classification périodique est appelée une période. Une ligne de la classification périodique correspond au remplissage d une couche électronique. On passe d une ligne à l autre en remplissant une couche électronique différente. La première période correspond au remplissage de la couche K. La deuxième période correspond au remplissage de la couche L. La troisième période correspond au remplissage de la couche M. Par exemple, le passage de la première à la seconde ligne de la classi- et Classe de Seconde Générale 6

7 fication périodique correspond au remplissage de la couche K puis de la couche L. Charge des ions monoatomiques à partir de la classification périodique Il est possible de se servir de la Classification Périodique pour retrouver la charge des ions monoatomiques. Rappelez-vous que les atomes tendent à gagner ou perdre des électrons pour que leur couche externe contienne 2 ou 8 électrons (règle du duet ou de l octet). Dans la Classification Périodique, les gaz nobles (éléments chimiques de la 18ème colonne) respectent tous la règle du duet ou de l octet. Ils sont particulièrement stables et tous les atomes de la Classification Périodique "cherchent à leur ressembler" en perdant ou en gagnant des électrons. exemples de gaz nobles : Hélium (K) 2, Néon (K) 2 (L) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 8 et Argon Ainsi, l atome de chlore est juste à gauche d un gaz noble (l argon) dans la Classification périodique ce qui veut dire qu il doit gagner un électron pour "ressembler" à l argon, il forme donc l anion Cl. Le lithium est dans une case qui suit celle d un gaz noble (l hélium) ce qui veut dire qu il doit perdre un électron pour "ressembler" à l hélium, il forme donc le cation Li +. Ce raisonnement (qu il faut savoir refaire) permet de retrouver la formule de tous les ions pour les éléments chimiques de Z=1 jusqu à Z=18. Exercice : Les gaz nobles Exercice 11 p Les gaz nobles est une famille chimique située dans la dernière colonne de la Classification Périodique (18ème). 2. Les trois premiers éléments de cette famille sont l hélium, le néon et le krypton. 3. Ces gaz peuvent être utilisés pour refroidir les appareils d imagerie médicale (sous forme liquide) ou pour générer une atmosphère inerte. 4. La couche électronique externe des gaz nobles est remplies par 2 ou 8 électrons, tous les éléments de cette famille respectent la règle du duet ou de l octet. 5. On les appelle gaz noble à cause de leur grande stabilité qui font qu ils ne forment quasiment pas d ions ou de molécules. Ils sont nobles du fait qu ils "ne veulent pas se lier" à d autres atomes. 6. Le nom de gaz rare est une fausse appellation car tous les éléments de cette famille ne sont pas rares. On a appelé cette famille de gaz "rare" à cause de leur découverte tardive qui a laissé penser que ces atomes étaient difficiles à trouver. 7. Les gaz nobles ne forment pas de molécules car ils respectent la règle du duet ou de l octet ce qui leur confère une importante stabilité. Exercice : Les alcalins, des éléments vitaux Exercice 14 p.284 Classe de Seconde Générale 7

8 1. Les alcalins se trouvent dans la première colonne de la Classification Périodique. 2. Les éléments de la famille des alcalins possèdent un électron dans leur couche externe. 3. Pour acquérir la configuration électronique du gaz noble le plus proche dans la Classification Périodique, les alcalins doivent perdre un électron et ils forment donc des cations avec une charge positive. Ils vont naturellement former des ensembles neutres avec un anion qui porte une seule charge négative comme les ions chlorures. 1. Le sodium perd un électron pour avoir la configuration électronique du gaz rare (K) 2 (L) 8 le plus proche de lui dans la classification périodique (le néon). Le sodium forme donc le cation Na Etant donné que le lithium, le potassium et le césium sont de la même famille chimique que le sodium, ils vont former des ions monoatomiques de même charge : Li +, K + et Cs +. Exercice 2 : fluor et compagnie Le fluor F est au-dessus du chlore Cl dans la classification périodique. 1. A quelle famille appartiennent ces deux éléments? 2. La structure électronique de l atome de fluor est (K) 2 (L) 7. En déduire la structure électronique de l atome de chlore Cl. Exercices à la maison Exercice 1 : ions alcalins 1. Le sodium Na a pour configuration électronique (K) 2 (L) 8 (M) 1. A quel ion monoatomique conduit-il facilement? 2. En utilisant la classification périodique, dire à quels ions monoatomiques stables conduisent les éléments lithium Li, potassium K et césium Cs. 1. Ces deux éléments appartiennent à la famille des halogènes. 2. Etant donné que le fluor et le chlore appartiennent à la même famille, ils possèdent le même nombre d électrons sur leur couche électronique externe. Le chlore est sur la troisième période donc sa couche électronique externe est la couche M. On en déduit que la structure électronique du chlore est (K) 2 (L) 8 (M) 7. Classe de Seconde Générale 8

9 Exercice 3 : lire horizontalement la classification périodique 1. Quel élément a pour numéro atomique Z=14? 2. A quelle période appartient-il? Quelle est sa couche externe? 3. A quelle colonne appartient-il? En déduire le nombre d électrons de sa couche externe puis sa configuration électronique. Pour aller plus loin Exercice 4 Exercice 10 p Juste à droite de cet élément, on trouve, dans cet ordre, les éléments phosphore P, soufre S, chlore Cl et argon Ar. En déduire les configurations électroniques de leurs atomes. 1. Le silicium a pour numéro atomique Z= Le silicium appartient à la troisième période. Sa couche électronique externe est donc M. 3. Il appartient à la 4ème colonne. Il possède donc 4 électrons sur sa couche externe. Sa configuration électronique se termine donc par (M) 4. Si : (K) 2 (L) 8 (M) Quand on se déplace d un élément vers la droite de la classification périodique, on ajoute un électron dans la couche électronique externe de l atome. On a donc les configurations électroniques : P : (K) 2 (L) 8 (M) 5 S : (K) 2 (L) 8 (M) 6 Cl : (K) 2 (L) 8 (M) 7 Ar : (K) 2 (L) 8 (M) 8 1. Les alcalins possèdent un électron sur leur couche externe alors que les halogènes possèdent sept électrons sur leur couche externe. 2. D après la position de ces familles dans la Classification Périodique, les halogènes tendent à gagner un électron pour acquérir la configuration électronique du gaz noble le plus proche de la classification périodique alors que les alcalins tendent à perdre un électron pour acquérir la configuration électronique du gaz noble le plus proche dans la Classification Périodique. La réactivité chimique de ces deux familles est donc très différente. Exercice 5 Exercice 17 p.284 Classe de Seconde Générale 9

10 1. Le fluor et le chlore sont deux éléments de la famille des halogènes qui constitue la 17ème colonne de la Classification Périodique. 2. D après la position des halogènes dans la Classification Périodique, ceux-ci doivent gagner un électron pour acquérir la configuration électronique du gaz noble le plus proche. Le fluor et le chlore forment donc les ions fluorure F et chlorure Cl. 3. Dans tous les tubes est présent le cation potassium K +. L iode et le brome appartiennent à la famille des halogènes donc ils forment les ions bromure Br et iodure I. 4. Le précipité est formé de l association d un anion avec le cation Ag +. Pour former un ensemble neutre, les formules des précipités doivent être AgCl (s), AgBr (s) et AgI (s). 1. Le béryllium a pour symbole Be et la magnésium a pour symbole Mg. 2. Le béryllium est sur la deuxième période donc sa couche électronique externe est la couche L. Le magnésium est sur la troisième période donc sa couche électronique externe est la couche M. Ces deux éléments se trouvent à droite des métaux alcalins donc dans la deuxième colonne de la classification périodique. Ils possèdent donc deux électrons dans leur couche externe. 3. Le béryllium a pour numéro atomique Z=4 donc sa configuration électronique est (K) 2 (L) 2 ce qui confirme le résultat précédent. Le magnésium a pour numéro atomique Z=12 donc sa configuration électroique est (K) 2 (L) 8 (M) 2 ce qui confirme le résultat précédent. Exercice 6 Le béryllium et le magnésium possèdent un électron de plus que les alcalins sur leur couche externe ; ils appartiennent respectivement à la deuxième et à la troisième périodes. 1. En utilisant la classification périodique, donner les symboles de ces deux éléments. 2. Donner pour chacun sa couche électronique externe ainsi que le nombre d électrons qu elle contient. 3. Le numéro atomique confirme-t-il ces résultats (vous pouvez le chercher dans la classification)? Classe de Seconde Générale 10

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