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Le cortège électronique et le tableau périodique
Couches et sous-couches, configuration électronique d’un atome à l’état fondamental (Z ≤ 18) ; électrons de valence, lire et contrôler une configuration ; de la configuration à la période, à la colonne et au bloc, et inversement ; familles chimiques et famille des gaz nobles
À propos de cette page
Couches, sous-couches et configuration électronique
En 3e, tu as appris à situer un élément dans le tableau à partir de son numéro atomique et à prévoir le comportement des éléments d’une même famille par analogie (Tableau périodique : éléments, périodes et familles). Le chapitre Le noyau de l’atome a montré qu’un atome possède Z électrons. En seconde, on décrit la répartition de ces électrons autour du noyau : elle explique la forme du tableau et la ressemblance des éléments d’une même colonne.
Couches et sous-couches. Les électrons du cortège électronique se répartissent en couches numérotées n = 1, 2, 3… Chaque couche se divise en sous-couches, notées s et p : la couche 1 n’a que la sous-couche 1s ; la couche 2 a les sous-couches 2s et 2p ; la couche 3, les sous-couches 3s et 3p (les seules utiles pour Z ≤ 18).
Capacités. Une sous-couche s contient au plus 2 électrons, une sous-couche p au plus 6. La couche n = 1 en reçoit donc au plus 2, la couche n = 2 au plus 2 + 6 = 8 ; la couche n = 3 en reçoit au plus 8 tant qu’on n’utilise que 3s et 3p.
État fondamental. C’est l’état de plus basse énergie de l’atome. Les électrons occupent les sous-couches par énergie croissante, dans l’ordre 1s → 2s → 2p → 3s → 3p, et une sous-couche est remplie complètement avant que la suivante commence.
Configuration électronique. On écrit les sous-couches occupées dans cet ordre, avec le nombre d’électrons de chacune en exposant. Un atome a Z électrons : la somme des exposants vaut Z.
Les sous-couches de bas en haut, par énergie croissante : on les remplit dans cet ordre.
L’azote (Z = 7). 1s reçoit 2 électrons, 2s en reçoit 2 ; il en reste 7 − 4 = 3 pour 2p. Configuration : 1s² 2s² 2p³.
Le chlore (Z = 17). On remplit 1s (2), 2s (2), 2p (6) et 3s (2) : 12 électrons sont placés ; il en reste 17 − 12 = 5 pour 3p. Configuration : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Vérification : 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17.
Réflexe — je pars de Z électrons, je remplis 2, 2, 6, 2, 6 dans l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p jusqu’à les avoir tous placés, puis je vérifie que la somme des exposants vaut Z.
Attention — l’exposant n’est pas une puissance : 2p⁶ signifie « 6 électrons dans la sous-couche 2p ». Une sous-couche s ne dépasse jamais 2 électrons, une sous-couche p jamais 6 : « 2s³ » ou « 3p⁷ » n’existent pas.
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Électrons de valence : lire et contrôler une configuration
Couche de valence. C’est la couche occupée de numéro n le plus grand : la plus éloignée du noyau.
Électrons de valence. Ce sont les électrons de la couche de valence, sous-couches s et p comptées ensemble. Les autres électrons, sur les couches internes pleines, sont les électrons de cœur. Quand un atome réagit, ce sont ses électrons de valence qui interviennent : le cortège électronique, et surtout sa couche de valence, fixe les propriétés chimiques de l’élément.
Lire une configuration. Z = somme des exposants ; couche de valence = plus grand n ; électrons de valence = somme des exposants de cette couche.
Contrôler une configuration. Une écriture ne décrit pas un atome à l’état fondamental si une sous-couche dépasse sa capacité, ou si une sous-couche est commencée (ou sautée) alors que la précédente n’est pas pleine. Pour la corriger, on garde le même nombre d’électrons et on remplit dans l’ordre.
Lire. Reprenons le chlore, 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Le plus grand n vaut 3 : couche de valence n = 3, qui porte 2 + 5 = 7 électrons de valence ; les 2 + 2 + 6 = 10 autres sont des électrons de cœur.
Une écriture qui n’est pas l’état fondamental. 1s² 2s² 2p⁵ 3s¹ compte 10 électrons, mais 3s est commencée alors que 2p n’en a que 5 sur 6. À l’état fondamental, ces 10 électrons donnent 1s² 2s² 2p⁶ (le néon).
Une écriture impossible. 1s² 2s³ : une sous-couche s contient au plus 2 électrons. Avec ces 5 électrons, la bonne configuration est 1s² 2s² 2p¹.
Réflexe — pour les électrons de valence, je repère le plus grand n et j’additionne les exposants de toutes les sous-couches qui portent ce n ; pour contrôler, je vérifie les capacités (2 pour s, 6 pour p) et l’ordre de remplissage.
Attention — on compte toute la couche de valence, pas seulement la dernière sous-couche écrite : 3s² 3p⁵ donne 2 + 5 = 7 électrons de valence, pas 5. Une écriture dont la somme des exposants est juste peut quand même être fausse si l’ordre de remplissage n’est pas respecté.
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De la configuration à la place dans le tableau
Le classement. Le tableau périodique range les éléments par numéro atomique Z croissant, de gauche à droite, ligne après ligne. Une ligne est une période, une colonne regroupe les éléments qui ont le même nombre d’électrons de valence.
La période est égale au numéro n de la couche de valence : le plus grand n de la configuration.
La colonne. Colonnes 1 et 2 : le numéro de colonne est égal au nombre d’électrons de valence (1 ou 2). Colonnes 13 à 18 : nombre d’électrons de valence = numéro de colonne − 10, donc colonne = électrons de valence + 10. Les colonnes 3 à 12 ne sont occupées qu’à partir de la période 4.
Les blocs. Les colonnes 1 et 2 forment le bloc s : la dernière sous-couche remplie est une sous-couche s. Les colonnes 13 à 18 forment le bloc p : la dernière sous-couche remplie est une sous-couche p.
Une exception : l’hélium. Sa configuration 1s² le met dans le bloc s, mais sa couche de valence, n = 1, est pleine avec 2 électrons, comme celle des gaz nobles : on le place en colonne 18.
La forme du tableau. La période 1 correspond au remplissage de 1s : 2 éléments. La période 2, à celui de 2s puis 2p : 2 + 6 = 8 éléments. La période 3, à celui de 3s puis 3p : encore 8 éléments.
| période | 1 | 2 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 H 1s¹ | 2 He 1s² | ||||||
| 2 | 3 Li 2s¹ | 4 Be 2s² | 5 B 2s² 2p¹ | 6 C 2s² 2p² | 7 N 2s² 2p³ | 8 O 2s² 2p⁴ | 9 F 2s² 2p⁵ | 10 Ne 2s² 2p⁶ |
| 3 | 11 Na 3s¹ | 12 Mg 3s² | 13 Al 3s² 3p¹ | 14 Si 3s² 3p² | 15 P 3s² 3p³ | 16 S 3s² 3p⁴ | 17 Cl 3s² 3p⁵ | 18 Ar 3s² 3p⁶ |
Case : numéro atomique Z, symbole, sous-couches de la couche de valence. bloc s : la dernière sous-couche remplie est une sous-couche s ; bloc p : c’est une sous-couche p.
L’aluminium (Z = 13). 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹. Le plus grand n vaut 3 : période 3. La couche de valence 3s² 3p¹ porte 3 électrons ; la dernière sous-couche est une p (bloc p) : colonne 3 + 10 = 13.
L’hydrogène (Z = 1). 1s¹ : couche de valence n = 1, donc période 1 ; 1 électron de valence dans une sous-couche s : colonne 1.
Réflexe — plus grand n → période ; nombre d’électrons de valence → colonne : le même nombre dans le bloc s, ce nombre + 10 dans le bloc p.
Attention — le numéro de colonne n’est égal au nombre d’électrons de valence que dans les colonnes 1 et 2 : un élément de la colonne 16 a 6 électrons de valence, pas 16. Et l’hélium, avec ses 2 électrons de valence, n’est pas en colonne 2.
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De la place dans le tableau aux électrons de valence
Lire la place à l’envers. La période donne la couche de valence : n = numéro de la période. La colonne donne le nombre d’électrons de valence : 1 ou 2 dans les colonnes 1 et 2, numéro de colonne − 10 dans les colonnes 13 à 18.
Retrouver la configuration (Z ≤ 18). On répartit les électrons de valence dans ns puis np, on ajoute devant les couches internes, toutes pleines, et on additionne les exposants pour obtenir Z.
Au-delà de Z = 18. La règle des électrons de valence vaut pour les colonnes 1, 2 et 13 à 18 de toutes les périodes (l’hélium mis à part) : un élément de la période 4 et de la colonne 17 a 7 électrons de valence, sur la couche n = 4.
Descendre d’une case. L’élément situé juste en dessous d’un autre a le même nombre d’électrons de valence, sur la couche suivante. Entre les périodes 2 et 3, il a 8 électrons de plus (une couche 2 pleine) : Z augmente de 8.
Pourquoi ranger par Z ? Mendeleïev rangeait les éléments par masse croissante (vu en 3e). Or c’est Z qui fixe le nombre d’électrons, donc la configuration, donc le nombre d’électrons de valence et la colonne. Le classement par Z place chaque élément dans la colonne de ceux qui lui ressemblent, même quand l’ordre des masses dit le contraire.
Période 2, colonne 16. Couche de valence n = 2 ; 16 − 10 = 6 électrons de valence : 2s² 2p⁴. Avec la couche 1 pleine : 1s² 2s² 2p⁴, soit : couches et sous-couches 1s, 2s, 2p, 3s, 3p ; configuration électronique d’un atome à l’état fondamental (Z ≤ 18) ; électrons de valence ; position dans le tableau périodique : période, colonne, blocs s et p ; électrons de valence à partir de la position ; familles chimiques et propriétés communes ; famille des gaz nobles.
Le brome (période 4, colonne 17). 17 − 10 = 7 électrons de valence, sur la couche n = 4.
Descendre d’une case. Sous le bore (Z = 5, colonne 13) se trouve l’élément de Z = 5 + 8 = 13, l’aluminium : 3s² 3p¹, 3 électrons de valence comme le bore (2s² 2p¹), sur la couche n = 3.
Réflexe — période → n de la couche de valence ; colonne → électrons de valence (1, 2, ou colonne − 10) ; j’écris ns puis np, je complète par les couches pleines, j’additionne pour Z.
Attention — les couches internes sont toujours pleines : ne pas oublier 1s² (et 2s² 2p⁶ en période 3). Le nombre d’électrons de valence n’est pas Z : l’oxygène a 8 électrons, dont 6 de valence.
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Familles chimiques et gaz nobles
Famille chimique. Les éléments d’une même colonne forment une famille : ils ont le même nombre d’électrons de valence, avec une configuration de valence de même forme (ns¹, ns², ns² np⁵…). Comme ce sont les électrons de valence qui interviennent dans les réactions, ils ont des propriétés chimiques communes.
| Famille | Colonne | Électrons de valence | Exemples | Propriétés communes |
|---|---|---|---|---|
| alcalins | 1 (sauf H) | 1 (ns¹) | Li, Na, K | métaux qui réagissent vivement avec l’eau en libérant du dihydrogène ; oxydes de même formule : Li₂O, Na₂O, K₂O |
| alcalino-terreux | 2 | 2 (ns²) | Be, Mg, Ca | métaux ; oxydes de même formule : BeO, MgO, CaO |
| halogènes | 17 | 7 (ns² np⁵) | F, Cl, Br, I | corps simples faits de molécules de deux atomes : F₂, Cl₂, Br₂, I₂ ; les ions chlorure, bromure et iodure forment un précipité avec les ions argent |
| gaz nobles | 18 | couche pleine : 2 pour He (1s²), 8 pour les autres (ns² np⁶) | He, Ne, Ar, Kr, Xe | gaz faits d’atomes isolés, qui ne réagissent pratiquement pas |
La famille des gaz nobles se reconnaît à sa couche de valence pleine : 1s² pour l’hélium, ns² np⁶ pour les autres. Ces éléments existent sous forme d’atomes isolés et ne réagissent presque jamais : le premier composé d’un gaz noble (du xénon) n’a été obtenu qu’en 1962. Le lien entre cette couche pleine et la stabilité, et ce qu’en font les autres atomes (ions, molécules), est l’objet du chapitre Stabilité des entités : ions et molécules.
Deux cas à part. L’hydrogène, placé en tête de la colonne 1, n’est pas un alcalin : c’est un gaz non métallique, fait de molécules H₂. L’hélium est un gaz noble, en colonne 18, bien qu’il n’ait que 2 électrons de valence.
Une colonne ajoutée. Mendeleïev n’avait prévu aucune place pour les gaz nobles : en 1869, aucun n’avait été isolé. L’argon est isolé de l’air en 1894 par Rayleigh et Ramsay, l’hélium trouvé sur Terre par Ramsay en 1895, le néon, le krypton et le xénon en 1898 : il a fallu ajouter au tableau une colonne entière.
Le lithium et le sodium. Le lithium (période 2, colonne 1) et le sodium (période 3, colonne 1) ont chacun 1 électron de valence, sur les couches n = 2 et n = 3. Ce sont deux alcalins : ils forment des oxydes de même formule, Li₂O et Na₂O.
Des gaz nobles. Hélium 1s², néon 1s² 2s² 2p⁶ : la couche de valence est pleine (2 et 8 électrons). Le krypton (période 4, colonne 18) a lui aussi 8 électrons de valence, sur la couche n = 4. Tous trois sont en colonne 18 et ne réagissent pratiquement pas.
Réflexe — même colonne → même nombre d’électrons de valence → même famille → propriétés chimiques communes ; couche de valence pleine → gaz noble.
Attention — une période n’est pas une famille : le sodium et l’argon sont dans la période 3, avec des propriétés opposées (métal très réactif, gaz inerte). Et l’hydrogène n’est pas un alcalin, malgré sa place en colonne 1.
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Pour aller plus loin
Revoir. Situer un élément, les familles et le classement de Mendeleïev (3e) : Tableau périodique : éléments, périodes et familles.
Dans les autres chapitres de seconde. Le noyau, Z et les électrons d’un atome ou d’un ion : Le noyau de l’atome. Pourquoi une couche de valence pleine rend un gaz noble stable, les règles du duet et de l’octet, la charge des ions monoatomiques et les schémas de Lewis : Stabilité des entités : ions et molécules.
Pour aller plus loin. Les colonnes 3 à 12, à partir de la période 4, correspondent au remplissage de sous-couches d (3d dans la période 4), hors programme en seconde.
Se verra en 1re. L’électronégativité, qui augmente de la gauche vers la droite d’une période et diminue du haut vers le bas d’une colonne, et la polarité des liaisons : De la structure à la polarité d’une entité.
- Les électrons occupent les sous-couches 1s, 2s, 2p, 3s, 3p dans cet ordre (état fondamental) ; une sous-couche s contient au plus 2 électrons, une p au plus 6 ; la somme des exposants vaut Z.
- Les électrons de valence sont ceux de la couche de plus grand n, sous-couches s et p comptées ensemble ; ce sont eux qui fixent les propriétés chimiques.
- Période = n de la couche de valence. Colonnes 1 et 2 (bloc s) : colonne = électrons de valence ; colonnes 13 à 18 (bloc p) : colonne = électrons de valence + 10. L’hélium est en colonne 18.
- De la place à la configuration : n = période, électrons de valence = 1, 2 ou colonne − 10, couches internes pleines. Le tableau est rangé par Z croissant.
- Une famille = une colonne = même nombre d’électrons de valence = propriétés chimiques communes : alcalins (1, sauf H), alcalino-terreux (2), halogènes (17), gaz nobles (18, couche de valence pleine).
Questions fréquentes
Comment écrire la configuration électronique d’un atome ?
On part de Z, le nombre d’électrons de l’atome. On remplit les sous-couches dans l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, chacune complètement (2 électrons pour une s, 6 pour une p) avant de passer à la suivante, et on écrit le nombre d’électrons en exposant. La somme des exposants doit valoir Z. Exemple : l’azote, Z = 7, a pour configuration 1s² 2s² 2p³.
Que sont les électrons de valence ?
Ce sont les électrons de la couche occupée de numéro n le plus grand, la couche de valence, en comptant ensemble ses sous-couches s et p. Pour 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵, la couche de valence est n = 3 et il y a 2 + 5 = 7 électrons de valence. Ce sont eux qui interviennent quand l’atome réagit.
Comment trouver la place d’un élément dans le tableau à partir de sa configuration ?
Le plus grand n de la configuration donne la période. Le nombre d’électrons de valence donne la colonne : il est égal au numéro de colonne dans les colonnes 1 et 2 (bloc s), et on ajoute 10 dans les colonnes 13 à 18 (bloc p). L’hélium, 1s², est une exception : il est en colonne 18.
Comment retrouver les électrons de valence à partir de la place dans le tableau ?
La période donne la couche de valence. La colonne donne le nombre d’électrons de valence : 1 ou 2 dans les colonnes 1 et 2, colonne − 10 dans les colonnes 13 à 18. Pour Z ≤ 18, on complète par les couches internes pleines pour écrire toute la configuration, puis on additionne les exposants pour trouver Z.
Qu’est-ce qu’une famille chimique ?
C’est l’ensemble des éléments d’une même colonne. Ils ont le même nombre d’électrons de valence, donc des propriétés chimiques communes : les alcalins (colonne 1, sauf l’hydrogène) réagissent vivement avec l’eau, les halogènes (colonne 17) forment des molécules de deux atomes, les gaz nobles (colonne 18), dont la couche de valence est pleine, ne réagissent pratiquement pas.
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