Cortège électronique de l'atome et classification périodique

I. Généralités sur l'atome

• L'atome est l'entité élémentaire qu'il convient de maîtriser parfaitement avant de s'attaquer à la répartition de ses électrons dans le nuage électronique.

• Les notions suivantes sont à réviser dans la fiche :

  Le noyau de l'atome

  $\circ\quad$ Constituants de l'atome (protons, neutrons et électrons) ;

  $\circ\quad$ Représentation symbolique de l'atome (numéro atomique $Z$ et nombre de masse $A$) :

  

  $\circ\quad$ Propriétés de l'atome (électroneutralité et noyaux isotopes notamment).

II. Le cortège électronique et sa configuration

1. Cas de l'atome d'hydrogène

• La représentation symbolique de l'atome d'hydrogène est $~_1^1H$ soit :

  $\circ\quad$ $Z = 1$, il y a donc $1$ proton constituant son noyau et $1$ électron gravitant autour de ce noyau ;

  $\circ\quad$ $A = 1$, ce qui représente le nombre de nucléon(s) du noyau, en l'occurrence ici 1 seul : le proton ! En effet, le nombre de neutron(s) est bel et bien nul $N = A - Z = 1 - 1 = 0$.

• La probabilité de trouver l'unique électron de l'atome d'hydrogène à un instant donné montre que ce dernier se situe principalement dans une région de l'espace sphérique, centrée sur le noyau. On peut en conclure que l'électron appartient à une zone sphérique qu'on appelle couche électronique et qu'on note $K$.

• Cette couche $K$ contient un seul niveau d'énergie ou sous-couche notée $1s$. L'atome d'hydrogène a un électron qui se situe dans la sous-couche $1s$ : sa configuration électronique est notée $1s^1$.

2. Configuration électronique des atomes

• Tout comme l'atome d'hydrogène, les atomes de numéro atomique $Z$ ont un cortège électronique de $Z$ électrons :

  $\circ\quad$ Ces électrons sont répartis autour du noyau sur des couches électroniques différentes, désignées par les lettres ($K$, $L$, $M$, $N$, etc.), dans l'ordre d'éloignement ;

  $\circ\quad$ Chaque couche admet un nombre d'électrons et un nombre de sous-couche(s) bien déterminés, que le tableau ci-dessous récapitule :

• Remarques :

  $\circ\quad$ Il existe bien évidemment davantage de couches et de sous-couches pour les atomes ayant un numéro atomique $Z$ plus grand ;

  $\circ\quad$ Plus les électrons sont proches du noyau, plus ils sont liés à leur noyau.

3. Règle de remplissage

• Les électrons se répartissent autour du noyau de manière à ce que leur niveau d'énergie soit le plus bas possible. Ainsi, pour les premiers niveaux d'énergie (ou sous-couches) :

• Règle de remplissage :

  $\circ\quad$ Les électrons remplissent les sous-couches suivant l'ordre : $1s$, $2s$, $2p$, $3s$ puis $3p$ ;

  $\circ\quad$ Le remplissage d'une nouvelle couche n'est possible que si toutes celles de niveaux d'énergie inférieurs soient remplies (ou saturées) ;

  $\circ\quad$ Chaque sous-couche ne contient qu'un nombre limité d'électrons : $2$ sur $s$, $6$ sur $p$, etc.

• Définition :

  $\circ\quad$ La configuration électronique d'un atome correspond à la répartition de ses électrons sur les différentes sous-couches.

  $\circ\quad$ La dernière couche ($K$, $L$, $M$, ...) occupée est appelée couche externe ; les électrons présents dans cette couche sont appelés électrons de valence.

• Exemples :

  $\circ\quad$ L'atome de carbone, de représentation symbolique $^{12}_{6}C$ a $6$ électrons, répartis de la façon suivante : $1s^22s^22p^2$ ($2 + 2 + 2 = 6$) ; ce dernier a donc $4$ électrons de valence ;

  $\circ\quad$ L'atome d'oxygène, de représentation symbolique $^{16}_{8}O$ a $8$ électrons, répartis de la façon suivante : $1s^22s^22p^4$ ($2 + 2 + 4 = 8$) ; ce dernier a donc $6$ électrons de valence.

III. Classification périodique des atomes

1. Un peu d'histoire

$\circ\quad$ C'est le chimiste russe Mendeleïev ($1834-1907$) qui proposa une classification des atomes par numéro atomique $Z$ croissant, tout en regroupant ceux qui ont des propriétés chimiques semblables.

2. Tableau de classification périodique

• Définition :

  $\circ\quad$ Le remplissage d'une ligne (ou période) correspond au remplissage d'une couche électronique ($K$, $L$, $M$, etc.).

  $\circ\quad$ Les éléments qui possèdent le même nombre d'électrons de valence (= ceux présents sur la couche électronique externe) sont placés sur une même colonne (ou groupe).

• Remarques :

  $\circ\quad$ Un élément situé dans la n^e colonne possède autant d'électrons de valence que l'unité de la colonne ;

  $\circ\quad$ La classification des atomes est qualifiée de périodique dans la mesure où les éléments aux propriétés chimiques très voisines sont situés sur une même colonne (ou même groupe) : ils constituent ce qu'on appelle une famille chimique. Cette ressemblance s'explique par leur configuration électronique externe semblable.

• Exemples :

  $\circ\quad$ L'atome de carbone $C$ ($Z = 6$ électrons) et l'atome de silicium $Si$ ($Z = 14$ électrons) ont tous deux $4$ électrons de valence :

  $1s^22s^22p^2$ pour $C$ et $1s^22s^22p^63s^23p^2$ pour $Si$

  Ils sont donc de la même famille (14^e colonne)

  $\circ\quad$ Les colonnes $1$ et $2$ constituent les métaux alcalins et alcalino-terreux très réactifs, comme la réaction du sodium.

  $\circ\quad$ La dernière colonne ($18$) constitue une famille, la famille des gaz nobles ou rares.

  $\circ\quad$ L'avant-dernière colonne de la classification ($17$) constitue la famille des halogènes. Le chlore (un constituant de l'eau de Javel), l'iode (un désinfectant), le fluor (un constituant des CFC qui attaquent la couche d'ozone) sont tous des corps corrosifs.

_{= Merci à gbm / Orsolya pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}