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
Cinq problèmes corrigés pas à pas : le phosphore des engrais, les gaz nobles qui n’avaient pas de place dans le tableau de Mendeleïev, deux éléments à identifier, un tableau d’élève à compléter et la famille des halogènes.
5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je relève les données : Z, une configuration, ou une place (période, colonne) pour chaque élément.
J’écris ou je lis la configuration dans l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, en vérifiant que la somme des exposants vaut Z.
Je passe par la couche de valence : son numéro donne la période, son nombre d’électrons la colonne (même nombre en bloc s, + 10 en bloc p).
Je raisonne par la colonne : même nombre d’électrons de valence, même famille, mêmes propriétés ; un élément juste en dessous a, pour Z ≤ 18, 8 électrons de plus.
Je conclus par une phrase qui utilise le vocabulaire du cours : configuration, électrons de valence, période, colonne, bloc, famille, gaz noble.
Problème 1 · Le phosphore des engrais★★★Facile
Le phosphore P (Z = 15) est indispensable à la croissance des plantes : on le trouve dans la plupart des engrais. L’azote N (Z = 7), autre élément des engrais, est dans la même colonne que lui, une période plus haut ; l’arsenic As, élément toxique, est dans cette même colonne, dans la période 4. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).
1. Configuration électronique de l’atome de phosphore à l’état fondamental :
15 électrons : 1s, 2s, 2p et 3s pleines (12 électrons), il en reste 3 pour 3p : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.
2. Nombre d’électrons de valence du phosphore :
Couche de valence n = 3 : 3s² 3p³, soit 2 + 3 = 5 électrons.
3. Période du phosphore :
Le plus grand n de sa configuration vaut 3 : période 3.
4. Colonne du phosphore :
5 électrons de valence, bloc p : 5 + 10 = 15.
5. Période de l’azote :
L’azote a 7 électrons : 1s² 2s² 2p³. Plus grand n = 2 : période 2. Avec 5 électrons de valence, il est bien dans la colonne 15, au-dessus du phosphore.
6. Numéro n de la couche de valence de l’arsenic :
La période donne la couche de valence : période 4, donc n = 4. Il y porte, comme le phosphore et l’azote, 15 − 10 = 5 électrons de valence.
Problème 2 · Les gaz qui n’avaient pas de place★★★Moyen
En 1869, Mendeleïev range les éléments connus par masse croissante ; aucun gaz noble n’a encore été isolé. En 1894, Rayleigh et Ramsay isolent de l’air un gaz qui ne réagit avec aucun des corps essayés : l’argon Ar (Z = 18). En 1895, Ramsay trouve sur Terre l’hélium He (Z = 2) ; en 1898, le néon, le krypton et le xénon. Il faut leur faire une place. Données : masses atomiques de l’argon, 39,95, et du potassium K (Z = 19), 39,10. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).
1. Configuration électronique de l’atome d’argon à l’état fondamental :
18 électrons : toutes les sous-couches jusqu’à 3p sont pleines : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.
2. Nombre d’électrons de valence de l’argon :
Couche de valence n = 3 : 3s² 3p⁶, soit 8 électrons : elle est pleine.
3. Colonne de l’argon dans le tableau actuel :
8 électrons de valence, bloc p : 8 + 10 = 18, la colonne des gaz nobles.
4. Nombre d’électrons de valence de l’hélium :
Configuration 1s² : 2 électrons sur la couche n = 1, qui est pleine. C’est pourquoi l’hélium est placé en colonne 18 avec l’argon, et non en colonne 2.
5. Le potassium est dans la période 4 et la colonne 1. Nombre d’électrons de valence du potassium :
Colonne 1 : 1 électron de valence, sur la couche n = 4 : c’est un alcalin.
6. Si l’on rangeait l’argon après le potassium pour suivre les masses, l’argon prendrait la place du potassium, dans la colonne
L’argon (39,95) est plus lourd que le potassium (39,10). Échanger leurs places mettrait l’argon, gaz inerte, en tête de la période 4, colonne 1, avec les alcalins très réactifs.
7. Le critère de classement qui place l’argon avec les gaz nobles est le
Rangé par numéro atomique, l’argon (Z = 18) passe avant le potassium (Z = 19) : Z fixe le nombre d’électrons, donc la couche de valence et la colonne.
Problème 3 · Deux éléments à identifier★★★Moyen
Deux éléments X et Y sont décrits ainsi : X appartient à la période 3 et possède 3 électrons de valence ; Y appartient à la même période que X et à la colonne 16. Noms des éléments de la période 3, par Z croissant : sodium, magnésium, aluminium, silicium, phosphore, soufre, chlore, argon. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).
1. Configuration de valence de X :
Couche de valence n = 3 ; 3s se remplit avant 3p : 3s² 3p¹.
6 électrons de valence sur la couche 3 (3s² 3p⁴), couches internes pleines : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴, Z = 16 : le soufre.
6. Numéro atomique de l’élément situé juste au-dessus de Y :
Même colonne, période 2 : 2s² 2p⁴, soit 1s² 2s² 2p⁴ et Z = 8 (l’oxygène), 8 de moins que Y.
Problème 4 · Un tableau à compléter★★★Difficile
Un élève a commencé ce tableau, mais il est incomplet. Un point d’interrogation marque chaque case à trouver.
Élément
Z
Configuration électronique
Période
Colonne
béryllium
4
?
?
?
?
?
?
3
17
?
?
1s² 2s² 2p⁴
?
?
Noms des éléments de la période 2, par Z croissant : lithium, béryllium, bore, carbone, azote, oxygène, fluor, néon. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).
1. Configuration électronique du béryllium :
4 électrons : 2 dans 1s, 2 dans 2s : 1s² 2s².
2. Colonne du béryllium :
2 électrons de valence (2s²), bloc s : colonne 2 ; période 2.
3. Configuration électronique de l’élément de la deuxième ligne :
Période 3 : couche de valence n = 3 ; colonne 17 : 17 − 10 = 7 électrons de valence, 3s² 3p⁵. Avec les couches 1 et 2 pleines : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.
5. Numéro atomique de l’élément de la troisième ligne :
Somme des exposants : 2 + 2 + 4 = 8.
6. Colonne de cet élément :
6 électrons de valence (2s² 2p⁴), bloc p : 6 + 10 = 16 ; période 2.
7. Nom de l’élément du tableau qui est dans la même période que le béryllium :
Le béryllium et l’élément de Z = 8, l’oxygène, ont leur couche de valence n = 2 : période 2. L’élément de la deuxième ligne est dans la période 3.
Problème 5 · La famille des halogènes★★★Difficile
Le fluor, le chlore, le brome et l’iode se suivent dans la colonne 17, du haut vers le bas, des périodes 2 à 5. Le dichlore Cl₂ sert à désinfecter l’eau. Avec les ions argent Ag⁺, l’ion chlorure Cl⁻ forme un précipité blanc de chlorure d’argent, de formule AgCl ; l’ion iodure, de formule I⁻, donne de même un précipité jaune. Les exposants peuvent s’écrire comme des chiffres ordinaires (1s2 2s2…).
1. Configuration de valence du fluor :
Période 2 : couche de valence n = 2 ; 17 − 10 = 7 électrons : 2s² 2p⁵.
2. Numéro atomique du fluor : Z =
Avec 1s² : 1s² 2s² 2p⁵, soit Z = 2 + 2 + 5 = 9.
3. Numéro atomique du chlore, situé juste en dessous : Z =
Entre les périodes 2 et 3, Z augmente de 8 : 9 + 8 = 17.
4. Nombre d’électrons de valence de l’iode :
Même colonne que le fluor et le chlore : même nombre d’électrons de valence, 7.
5. Numéro n de la couche de valence de l’iode :
L’iode est dans la période 5 : couche de valence n = 5.
6. Formule du précipité formé par les ions iodure et les ions argent :
L’iode est un halogène, comme le chlore : son ion porte la même charge et le précipité a la même formule que AgCl : AgI. Même famille, même comportement.
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