Le cortège électronique et le tableau périodique

Questions sur les sous-couches, leur capacité et leur ordre de remplissage à l’état fondamental.

1. Nombre maximal d’électrons dans une sous-couche s :
   Une sous-couche s contient au plus 2 électrons.
2. Nombre maximal d’électrons dans une sous-couche p :
   Une sous-couche p contient au plus 6 électrons.
3. Nombre maximal d’électrons sur la couche n = 2 :
   La couche 2 a deux sous-couches, 2s et 2p : 2 + 6 = 8 électrons au plus.
4. Sous-couche remplie juste après la sous-couche 2p :
   L’ordre est 1s → 2s → 2p → 3s → 3p.
5. Nombre de sous-couches de la couche n = 1 :
   La couche 1 n’a qu’une sous-couche, 1s : c’est pourquoi elle ne reçoit que 2 électrons.

Écrire la configuration électronique à l’état fondamental de chaque atome. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).

1. Lithium (Z = 3) :
   1s reçoit 2 électrons, le troisième va dans 2s : 1s² 2s¹ (2 + 1 = 3).
2. Carbone (Z = 6) :
   1s (2), 2s (2), il en reste 6 − 4 = 2 pour 2p : 1s² 2s² 2p².
3. Fluor (Z = 9) :
   1s (2), 2s (2), il en reste 9 − 4 = 5 pour 2p : 1s² 2s² 2p⁵.
4. Soufre (Z = 16) :
   1s, 2s, 2p, 3s : 12 électrons ; il en reste 16 − 12 = 4 pour 3p : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴.

On raisonne sur le remplissage des sous-couches à l’état fondamental, pour les atomes de Z = 1 à 18.

1. Un atome a sa couche n = 2 pleine et 4 électrons sur sa couche n = 3. Quel est son numéro atomique ? Z =
   Couche 1 : 2 électrons ; couche 2 pleine : 8 ; couche 3 : 4. Z = 2 + 8 + 4 = 14 (le silicium).
2. Plus petit numéro atomique dont la configuration contient la sous-couche 3p :
   3p ne commence qu’une fois 1s, 2s, 2p et 3s pleines : 2 + 2 + 6 + 2 = 12 électrons ; le suivant, le 13^e, va dans 3p : Z = 13.
3. Plus petit numéro atomique dont la couche n = 2 est pleine :
   Il faut 1s² puis 2s² 2p⁶ : 2 + 8 = 10 électrons (le néon).
4. Nombre d’atomes, parmi Z = 1 à 18, dont la sous-couche 2p est pleine :
   2p est pleine à partir de Z = 10 et le reste jusqu’à Z = 18 : de 10 à 18, il y a 9 atomes.

Chaque configuration décrit un atome à l’état fondamental. Donner son nombre d’électrons de valence.

1. 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ :
   Plus grand n = 3 ; la couche 3 ne porte que 3s¹, soit 1 électron de valence.
2. 1s² 2s² 2p³ :
   Couche de valence n = 2 : 2s² 2p³, soit 2 + 3 = 5 électrons de valence.
3. 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ :
   Couche de valence n = 3 : 3s² 3p⁶, soit 2 + 6 = 8 électrons de valence.
4. 1s¹ :
   Une seule couche, n = 1, avec 1 électron : c’est un électron de valence.
5. Nombre d’électrons de cœur de l’atome de configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ :
   Électrons qui ne sont pas sur la couche de valence : 1s² 2s² 2p⁶, soit 2 + 2 + 6 = 10.

Un atome a pour configuration électronique à l’état fondamental 1s² 2s² 2p⁶ 3s².

1. Son numéro atomique : Z =
   Somme des exposants : 2 + 2 + 6 + 2 = 12 (le magnésium).
2. Numéro n de sa couche de valence :
   Le plus grand n de la configuration vaut 3.
3. Nombre d’électrons de valence :
   La couche 3 ne porte que 3s² : 2 électrons de valence.
4. Nombre de sous-couches pleines :
   1s², 2s², 2p⁶ et 3s² sont toutes pleines : 4 sous-couches.

Trois écritures relevées sur des copies prétendent décrire un atome à l’état fondamental, mais elles sont fausses. Écriture A : 1s² 2s² 2p⁶ 3s³. Écriture B : 1s² 2s² 2p³ 3s¹. Écriture C : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ 3p⁵. On corrige chacune sans changer le nombre d’électrons. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).

1. Nombre d’électrons décrits par l’écriture A :
   2 + 2 + 6 + 3 = 13 électrons ; mais 3s ne peut en contenir que 2.
2. Écriture A corrigée :
   3s est pleine avec 2 électrons, le 13^e va dans 3p : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹.
3. Dans l’écriture B, la sous-couche commencée trop tôt est :
   2p n’a que 3 électrons sur 6 : 3s ne doit pas encore être occupée.
4. Écriture B corrigée :
   8 électrons : 1s², 2s², et les 4 restants dans 2p : 1s² 2s² 2p⁴.
5. Écriture C corrigée :
   17 électrons ; 3s doit être pleine avant 3p : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.

Chaque configuration décrit un atome à l’état fondamental. Donner sa période ou sa colonne.

1. 1s² 2s² 2p¹ : période
   Plus grand n = 2 : période 2.
2. 1s² 2s² 2p¹ : colonne
   3 électrons de valence (2s² 2p¹), bloc p : colonne 3 + 10 = 13.
3. 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ : période
   Plus grand n = 3 : période 3.
4. 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ : colonne
   1 électron de valence dans une sous-couche s : colonne 1.
5. 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ : colonne
   8 électrons de valence, bloc p : colonne 8 + 10 = 18.

On s’intéresse aux blocs s et p et à la forme du tableau périodique.

1. Atome de numéro atomique 3 : sous-couche qui reçoit son dernier électron :
   3 électrons : 2 dans 1s, le troisième dans 2s.
2. Cet atome appartient donc au bloc
   La dernière sous-couche remplie est une s : bloc s (colonne 1).
3. Atome de numéro atomique 9 : sous-couche qui reçoit son dernier électron :
   9 électrons : 1s² 2s² (4), les 5 derniers dans 2p : bloc p.
4. Nombre d’éléments du bloc p dans la période 2 :
   La sous-couche 2p reçoit 1 à 6 électrons : 6 éléments, du bore au néon (colonnes 13 à 18).
5. Dans la période 3, numéro de la colonne qui suit la colonne 2 :
   Les colonnes 3 à 12 ne sont occupées qu’à partir de la période 4 : après le magnésium (colonne 2, bloc s) vient l’aluminium, premier élément du bloc p, en colonne 13.

Quatre atomes, à l’état fondamental : E1 : 1s² 2s² 2p³ ; E2 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ ; E3 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² ; E4 : 1s² 2s².

1. L’atome situé dans la même colonne que E3 :
   E3 (3s²) et E4 (2s²) ont 2 électrons de valence : colonne 2.
2. L’atome situé dans la même période que E3 :
   E2 (3s² 3p³) et E3 (3s²) ont leur couche de valence n = 3 : période 3. E1 et E4 sont dans la période 2.
3. Colonne de E2 :
   5 électrons de valence, bloc p : 5 + 10 = 15.
4. Période de E4 :
   Plus grand n = 2 : période 2.

Donner le nombre d’électrons de valence de l’élément situé à la place indiquée.

1. Période 3, colonne 2 :
   Colonne 2 : 2 électrons de valence (3s²).
2. Période 2, colonne 14 :
   Colonne 14 : 14 − 10 = 4 électrons de valence (2s² 2p²).
3. Le gallium, période 4, colonne 13 :
   13 − 10 = 3 électrons de valence, sur la couche n = 4.
4. Le tellure, période 5, colonne 16 :
   16 − 10 = 6 électrons de valence, sur la couche n = 5.
5. Le xénon, période 5, colonne 18 :
   18 − 10 = 8 : couche de valence pleine, c’est un gaz noble.

On retrouve des atomes de Z ≤ 18 à partir de leur place dans le tableau. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).

1. Élément de la période 3 et de la colonne 15 : nombre d’électrons sur sa couche n = 3 :
   Couche de valence n = 3, avec 15 − 10 = 5 électrons (3s² 3p³).
2. Son numéro atomique : Z =
   Couches internes pleines (2 + 8) et 5 électrons de valence : Z = 2 + 8 + 5 = 15.
3. Élément de la période 2 et de la colonne 18 : configuration électronique
   n = 2 et 18 − 10 = 8 électrons de valence : 2s² 2p⁶ ; avec 1s² : 1s² 2s² 2p⁶.
4. Son numéro atomique : Z =
   2 + 2 + 6 = 10 : c’est le néon.

On raisonne sur les éléments voisins dans le tableau (Z ≤ 18). Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).

1. Élément situé juste en dessous du carbone (Z = 6) : Z =
   Entre les périodes 2 et 3, la couche 2 se remplit (8 électrons) : Z = 6 + 8 = 14.
2. Sa configuration de valence :
   Même nombre d’électrons de valence que le carbone (4), sur la couche n = 3 : 3s² 3p².
3. Élément de la période 3 qui a autant d’électrons de valence que le lithium (Z = 3) : Z =
   Le lithium a 1 électron de valence (2s¹) ; en période 3 : 3s¹, après les couches 1 et 2 pleines, soit Z = 2 + 8 + 1 = 11 (le sodium).
4. Nombre d’atomes, parmi Z = 1 à 18, qui ont 8 électrons de valence :
   8 électrons de valence = colonne 18, en périodes 2 et 3 : le néon et l’argon, soit 2. L’hélium, en colonne 18 lui aussi, n’en a que 2.

La configuration de valence d’un atome est donnée. Nommer sa famille : alcalins, alcalino-terreux, halogènes ou gaz nobles.

1. Couche de valence 3s¹ :
   1 électron de valence, colonne 1 : famille des alcalins.
2. Couche de valence 2s² 2p⁵ :
   7 électrons de valence, colonne 17 : famille des halogènes.
3. Couche de valence 3s² 3p⁶ :
   Couche de valence pleine (8), colonne 18 : gaz nobles.
4. Couche de valence 1s² :
   C’est l’hélium : sa couche n = 1 est pleine avec 2 électrons. Il est placé en colonne 18, avec les gaz nobles.

Prévoir une propriété par analogie avec un élément de la même famille. Écrire les formules avec des chiffres ordinaires si besoin (CaCl2).

1. Le rubidium Rb est un alcalin : comme le sodium, il réagit vivement avec l’eau en libérant du
   Propriété commune des alcalins : réaction vive avec l’eau qui libère du dihydrogène H₂.
2. Le magnésium forme l’oxyde MgO ; le strontium Sr, dans la même colonne, forme l’oxyde de formule
   Même famille (alcalino-terreux, colonne 2), même formule : SrO.
3. Le magnésium forme avec le chlore le composé MgCl₂ ; le calcium forme avec le chlore
   Le calcium est dans la colonne du magnésium : composé de même formule, CaCl₂.
4. Le chlore forme avec l’hydrogène la molécule HCl ; le brome, dans la même colonne, forme avec l’hydrogène la molécule
   Même famille (halogènes, colonne 17), même formule : HBr.

Un élève affirme : « Le béryllium (1s² 2s²) est un gaz noble, puisque sa dernière sous-couche est pleine. » On examine cette affirmation.

1. Nombre maximal d’électrons que peut porter la couche de valence du béryllium (n = 2) :
   La couche 2 comprend 2s et 2p : 8 électrons au plus. Seule la sous-couche 2s est pleine, la couche ne l’est pas.
2. Nombre d’électrons que porte réellement cette couche :
   Seulement 2s² : 2 électrons sur 8. La couche de valence n’est pas pleine : ce n’est pas un gaz noble.
3. Le béryllium appartient en fait à la famille des
   2 électrons de valence, bloc s : colonne 2, famille des alcalino-terreux, comme le magnésium.
4. Parmi Mg, Ar, K et Al, l’élément de la même famille que le sodium :
   Le sodium est un alcalin (colonne 1) ; le potassium K aussi. Mg est en colonne 2, Al en 13, Ar en 18.