Configuration électronique (Z ≤ 18), familles chimiques et gaz nobles

Les électrons d'un atome se rangent couche par couche, comme des passagers qui remplissent les rangées d'un car ; le nombre d'électrons de la dernière couche décide du comportement chimique de l'élément.

Objectifs

Écrire la configuration électronique d'un atome de numéro atomique \(Z \le 18\) avec les couches K, L et M.
Repérer les électrons de valence (ceux de la couche externe).
Relier la configuration à la place de l'élément dans le tableau périodique (ligne et colonne).
Reconnaître quelques familles chimiques : alcalins, alcalino-terreux, halogènes, gaz nobles.
Utiliser les règles du duet et de l'octet pour prévoir l'ion formé par un atome.

1. Les électrons se rangent en couches

Un atome est formé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons qui se répartissent autour en couches électroniques. Un atome neutre possède autant d'électrons que de protons, c'est-à-dire \(Z\) électrons.

Pour les 18 premiers éléments, on utilise trois couches, notées K, L et M :

la couche K (la plus proche du noyau) contient au plus 2 électrons ;
la couche L contient au plus 8 électrons ;
la couche M contient au plus 8 électrons pour \(Z \le 18\).

On écrit la configuration électronique en indiquant, en exposant, le nombre d'électrons de chaque couche. Pour le sodium (\(Z = 11\)) :

\[ \text{Na} : (K)^2\,(L)^8\,(M)^1 \]

Vérification : \(2 + 8 + 1 = 11\) électrons, autant que de protons.

Regarde comment les 11 électrons du sodium se placent :

La couche K, la plus proche du noyau, reçoit d'abord 2 électrons : elle est pleine.

La couche L reçoit ensuite 8 électrons : elle est pleine à son tour (2 + 8 = 10).

Il reste 1 électron : il va sur la couche M, qui devient la couche externe. Le sodium a 1 électron de valence.

Exemple résolu : le chlore (\(Z = 17\))

Cherche d'abord : combien d'électrons sur chaque couche ? combien d'électrons de valence ?

Atome neutre : 17 protons, donc 17 électrons à placer.

Couche K : 2 électrons (pleine). Il en reste \(17 - 2 = 15\).

Couche L : 8 électrons (pleine). Il en reste \(15 - 8 = 7\).

Couche M : les 7 derniers électrons. \[ \text{Cl} : (K)^2\,(L)^8\,(M)^7 \]

Couche externe M : 7 électrons de valence.

Place toi-même les noms des parties sur ce schéma de l'atome de magnésium \((K)^2\,(L)^8\,(M)^2\) :

Quelle est la configuration électronique de l'aluminium (\(Z = 13\)) ?

\((K)^2\,(L)^{11}\)
\((K)^2\,(L)^8\,(M)^3\)
\((K)^8\,(L)^5\)

K prend 2 électrons, L en prend 8 au maximum, il en reste \(13 - 10 = 3\) sur la couche M.

2. Configuration et tableau périodique

Les éléments sont rangés par \(Z\) croissant dans le tableau périodique. Pour les 18 premiers :

le numéro de la ligne (période) est égal au nombre de couches occupées ;
dans une même colonne, les éléments ont le même nombre d'électrons de valence (sauf l'hélium, placé avec les gaz nobles).

Les trois premières périodes (nombre d'électrons de valence en tête de colonne)
Période	1	2	3	4	5	6	7	8
1 (K)	H							He (2)
2 (K, L)	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
3 (K, L, M)	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar

Exemple résolu : où placer le soufre (\(Z = 16\)) ?

Cherche d'abord sa ligne et sa colonne.

Voir la solution

Configuration : \((K)^2\,(L)^8\,(M)^6\) car \(2 + 8 + 6 = 16\). Trois couches occupées : 3e période. Six électrons de valence : colonne des éléments à 6 électrons externes, sous l'oxygène \((K)^2\,(L)^6\).

Un élément a pour configuration \((K)^2\,(L)^5\). Où est-il dans le tableau ?

2e période, colonne des éléments à 5 électrons de valence.
5e période, 2e colonne.
3e période, colonne des gaz nobles.

Deux couches occupées donnent la 2e période et 5 électrons sur la couche externe donnent la colonne à 5 électrons de valence : c'est l'azote, \(Z = 7\).

3. Les familles chimiques

Une famille chimique regroupe les éléments d'une même colonne : ils ont le même nombre d'électrons de valence, donc des propriétés chimiques voisines.

Les alcalins (1re colonne, sans l'hydrogène) : lithium Li, sodium Na, potassium K. Un seul électron de valence. Métaux mous et très réactifs : le sodium réagit vivement avec l'eau, on le conserve dans du pétrole.
Les alcalino-terreux (2e colonne) : béryllium Be, magnésium Mg, calcium Ca. Deux électrons de valence.
Les halogènes (avant-dernière colonne) : fluor F, chlore Cl, brome Br. Sept électrons de valence. Le chlore entre dans l'eau de Javel et dans le sel de cuisine \(\ce{NaCl}\).
Les gaz nobles (dernière colonne) : hélium He, néon Ne, argon Ar. Couche externe pleine.

Le brome a 7 électrons de valence. À quelle famille appartient-il ?

Aux alcalins.
Aux gaz nobles.
Aux halogènes.

Sept électrons de valence, comme le fluor et le chlore : c'est un halogène.

4. Les gaz nobles et les règles du duet et de l'octet

Les gaz nobles (hélium, néon, argon) ont une couche externe saturée :

\[ \text{He} : (K)^2 \qquad \text{Ne} : (K)^2\,(L)^8 \qquad \text{Ar} : (K)^2\,(L)^8\,(M)^8 \]

Ils sont chimiquement très peu réactifs : ils ne forment presque jamais de molécules ni d'ions. On s'en sert pour cette raison : l'hélium gonfle les ballons sans risque d'incendie, l'argon protège le filament de certaines ampoules, le néon brille dans les enseignes lumineuses.

Les autres atomes tendent à obtenir la même configuration que le gaz noble le plus proche dans le tableau :

Règle du duet : les atomes proches de l'hélium (\(Z \le 4\) environ) tendent à avoir 2 électrons sur leur couche externe K.
Règle de l'octet : les autres tendent à avoir 8 électrons sur leur couche externe.

Pour cela, un atome peut perdre ou gagner des électrons et devenir un ion.

flowchart LR
  A[Atome] --> B{Électrons de valence}
  B -->|1 2 ou 3| C[Il en perd]
  C --> D[Ion positif]
  B -->|5 6 ou 7| E[Il en gagne]
  E --> F[Ion négatif]
  D --> G[Même couche externe qu'un gaz noble]
  F --> G

Exemple résolu : quel ion forme le sodium ?

Cherche d'abord, puis vérifie.

Configuration de l'atome : \((K)^2\,(L)^8\,(M)^1\). Un seul électron de valence.

Le plus simple est de perdre cet électron : il reste \((K)^2\,(L)^8\), comme le néon (octet sur L).

L'atome a toujours 11 protons mais seulement 10 électrons : une charge positive en trop.

L'ion formé est \(\ce{Na+}\).

À toi : quel ion forme l'oxygène (\(Z = 8\)) ?

Voir la solution

Atome : \((K)^2\,(L)^6\), soit 6 électrons de valence. Il lui manque 2 électrons pour l'octet : il en gagne 2 et obtient \((K)^2\,(L)^8\), comme le néon. Avec 8 protons et 10 électrons, il porte deux charges négatives : c'est l'ion \(\ce{O^2-}\).

Le magnésium \((K)^2\,(L)^8\,(M)^2\) forme l'ion :

\(\ce{Mg^2-}\)
\(\ce{Mg^2+}\)
\(\ce{Mg+}\)

Il perd ses 2 électrons de valence pour obtenir \((K)^2\,(L)^8\) : 12 protons et 10 électrons, d'où deux charges positives.

Le lithium \((K)^2\,(L)^1\) perd un électron. Quelle règle respecte l'ion \(\ce{Li+}\) obtenu ?

La règle du duet : il a la configuration \((K)^2\) de l'hélium.
La règle de l'octet : il a 8 électrons externes.
Aucune : il devient instable.

Après la perte, il reste seulement la couche K avec 2 électrons, comme l'hélium : c'est le duet.

Erreurs fréquentes

Mettre plus de 2 électrons sur K ou plus de 8 sur L.
Oublier de vérifier que la somme des électrons vaut \(Z\) (pour un atome neutre).
Confondre le numéro de la ligne (nombre de couches) avec le nombre d'électrons de valence.
Se tromper de signe : un atome qui perd des électrons devient un ion positif.
Croire que l'hélium n'est pas un gaz noble parce qu'il n'a que 2 électrons externes.

Récapitulatif

Pour \(Z \le 18\), les électrons remplissent les couches K (2 au plus), L (8 au plus) puis M (8 au plus). Les électrons de la couche externe, dits de valence, fixent la colonne de l'élément ; le nombre de couches occupées fixe sa ligne. Une colonne forme une famille chimique aux propriétés voisines. Les gaz nobles ont une couche externe saturée et sont très stables ; les autres atomes gagnent ou perdent des électrons pour leur ressembler (règles du duet et de l'octet).

Couches K, L, M

Au plus 2, 8 et 8 électrons pour \(Z \le 18\), remplies dans cet ordre.

Électrons de valence

Électrons de la couche externe ; même nombre pour une même colonne.

Ligne du tableau

Numéro de la période = nombre de couches occupées.

Famille chimique

Éléments d'une même colonne : alcalins, alcalino-terreux, halogènes, gaz nobles.

Gaz nobles

He, Ne, Ar : couche externe saturée, très peu réactifs.

Duet et octet

Un atome gagne ou perd des électrons pour avoir 2 ou 8 électrons externes, comme un gaz noble.