Les électrons sont des particules très importantes. Ils circulent dans nos fils et nos câbles pour nous fournir de l'électricité, et ils sont également responsables de la création des liaisons ioniques et covalentes ! Mais sais-tu qu'il existe en fait deux "classes" d'électrons ? Dans ce résumé de cours, nous parlerons des électrons de valence. Nous apprendrons ce qu'ils sont, comment les compter et pourquoi ils sont si importants.
- Ce résumé de cours est consacré aux électrons de valence.
- Tout d'abord, nous apprendrons la configuration électronique et la valence.
- Nous verrons ensuite la couche et les électrons de valence.
- Ensuite, nous apprendrons à utiliser le tableau périodique pour déterminer les électrons de valence.
- Puis, nous explorons la réaction et l'état d'oxydation.
- Avant de terminer, nous verrons les familles chimiques et comment identifier les électrons de valence de l'atome d'hydrogène.
- Enfin, nous apprendrons ce qu'est la liaison ionique et covalente.
Configuration électronique
Contrairement aux protons, les électrons n'habitent pas le noyau, ils orbitent autour des protons et des neutrons selon des schémas spécifiques. Ces schémas sont ensuite exprimés par la configuration électronique. La configuration électronique est l'expression numérique d'un espace \( 3D \) autour du noyau d'un atome.
La configuration électronique est l'arrangement des électrons dans les couches, les sous-couches et les orbitales à l'intérieur de l'atome.
Couches électroniques
Les couches électroniques sont également connues sous le nom de niveaux d'énergie. Chaque couche a un nombre quantique principal spécifique. Plus les couches s'éloignent du noyau, plus leur nombre quantique principal augmente et plus, elles ont un niveau d'énergie élevé.
Sous-couches électroniques
Les sous-couches sont des divisions à l'intérieur de chaque couche. Elles ont également des niveaux d'énergie différents : la sous-couche \( s \) a l'énergie la plus basse, puis \( p \) , puis \( d \) , puis \( f \) . Chaque sous-couche contient un nombre différent d'orbitales. Par exemple, la sous-couche s ne comporte qu'une seule orbitale, tandis que les sous-couches \( p \) en comportent trois et les sous-couches \( d \) cinq.
Orbitales électroniques
Les orbitales sont des régions de l'espace où un électron peut se trouver dans \( 95 \% \) des cas. Chaque orbitale peut contenir au maximum deux électrons. Ces électrons doivent avoir des spins différents : l'un a un spin ascendant, l'autre un spin descendant. Les orbitales ont également des formes différentes en fonction de leur sous-couche.
Si nous rassemblons tout cela, la configuration électronique est simplement le nombre d'électrons présents dans chaque orbitale atomique, ainsi que la couche et la sous-couche dans lesquelles ils se trouvent.
La valence
La valence est la propriété d'un élément qui détermine le nombre d'autres atomes avec lesquels un atome de cet élément peut se combiner.
Dans l'étude de la réactivité chimique, les électrons du niveau d'énergie principal le plus éloigné sont très importants et portent donc le nom des électrons de valence.
Couche de valence
La couche la plus externe d'un atome est appelée couche de valence et les électrons qui résident dans la couche de valence sont appelés électrons de valence. Lorsque les électrons de valence d'un atome reçoivent suffisamment d'énergie d'une force extérieure, ils peuvent se détacher de l'atome parent et devenir ce que l'on appelle des électrons libres.
Que sont les électrons de valence ?
Les électrons de valence sont les électrons qui existent dans le niveau d'énergie le plus externe/le plus élevé d'un atome. Ce sont les électrons qui participent à la liaison.
Tableau périodique
L'une des façons les plus simples de trouver les électrons de valence est de vérifier la position des éléments dans le tableau périodique. Les électrons de valence d'un élément peuvent être trouvés en examinant de près la colonne verticale dans laquelle les éléments sont regroupés. En regardant le numéro de groupe indiqué, on peut identifier le nombre d'électrons de valence que possède un élément figurant dans cette colonne spécifique.
Fig.1 - Groupes dans le tableau périodique.
Travaillons sur un problème :
Combien d'électrons de valence y a-t-il dans les atomes suivants : a) \( Cl \) b) \( Ga \) c) \( Sr \)
Le chlore se trouve dans le \( 7^ème \) groupe, il a donc sept électrons de valence.
Pour le gallium, il se trouve dans le \( 3^ème \) groupe, il a donc trois électrons de valence.
Pour le strontium, il se trouve dans le deuxième groupe en face, il a donc deux électrons de valence.
En résumé, les électrons de valence d'un atome neutre sont les suivants :
| Numéro de groupe | Nombre d'électrons de Valence |
| Groupe \( 1 \) | 1 |
| Groupe \( 2 \) | 2 |
| Groupe \( 13 \) | 3 |
| Groupe \( 14 \) | 4 |
| Groupe \( 15 \) | 5 |
| Groupe \( 16 \) | 6 |
| Groupe \( 17 \) | 7 |
| Groupe \( 18 \) | 8 |
Cette méthode ne s'applique qu'aux atomes neutres. Si un atome a une charge, la formule est :
$$ nombre \ d'électrons \ de \ valence= nombre \ d'électrons \ de \ valence \ dans \ un \ atome \ neutre - charge $$
Travaillons sur quelques exemples,
Combien d'électrons de valence possèdent les ions suivants ? a) \( O^{2-} \) b) \( Mg^+ \)
Les électrons de valence de \( O^{2-} \) sont :
$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence = 6-(-2) $$
$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence=8 $$
Et pour \( Mg^+ \) :
$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence= 2-1 $$
$$ Nombre \ d'électrons \ de \ valence= 1 $$
Réactions d'oxydoréduction
L'état d'oxydation d'un élément nous renseigne sur les électrons de cet élément.
L'état d'oxydation est la charge théorique d'un élément si toutes ses liaisons sont entièrement ioniques (les électrons sont soit donnés, soit pris, et non partagés).
L'état d'oxydation nous indique :
Charge \( +x \) \( \rightarrow \) perte de \( x \) électrons.
Charge \( -x \) \( \rightarrow \) gain de \( x \) électrons.
Ainsi, il manque un électron à un atome dont l'état d'oxydation est \( +1 \) .
Les éléments ont généralement \( 1 \) ou \( 2 \) états d'oxydation communs en raison du nombre d'électrons de valence qu'ils possèdent à l'état neutre.
Par exemple, le bore possède \( 3 \) électrons de valence. Cela signifie qu'il a deux options : perdre trois électrons pour avoir une couche pleine, ou gagner \( 5 \) électrons pour avoir une couche pleine. Étant donné que les atomes choisissent toujours la voie la plus facile, le bore perdra trois électrons, ce qui explique son état d'oxydation \( +3 \) .
Autre exemple, l'hydrogène peut avoir un état d'oxydation de \( +1 \) ou de \( -1 \) . Comme il ne possède qu'un seul électron de valence, il peut choisir de remplir ou de perdre sa couche. L'état \( +1 \) est le plus courant, mais il existe des composés qui contiennent de l'hydrogène dans un état \( -1 \) (comme \( BeH_2 \) , où \( Be \) a un état d'oxydation \( +2 \) . L'hydrogène est appelé proton lorsqu'il est à l'état \( +1 \) , et hydrure lorsqu'il est à l'état \( -1 \) .
À partir de maintenant, je ferai référence à l'état d'oxydation en tant que "charge", puisqu'il s'agit de la charge théorique de l'élément.
Espèces chargées
En règle générale, les éléments se lient à d'autres espèces afin de remplir leur octet. Toutefois, ce n'est pas toujours le cas.
Le bore possède \( 3 \) électrons de valence, il peut donc former \( 3 \) liaisons et donner ces trois électrons. Cependant, cela ne signifie pas toujours que le bore formera trois liaisons. Par exemple, le bore peut former \( 4 \) liaisons avec l'hydrogène pour former \( BH_{4}^{+} \) .
Famille chimique
Une famille chimique est un groupe d'éléments ayant des propriétés chimiques similaires. Elles sont généralement associées aux colonnes verticales du tableau périodique. Le terme "famille" est synonyme de "groupe".
Les deux mots ayant défini des ensembles d'éléments différents au fil des ans, l'UICPA recommande d'utiliser le système numérique de numérotation des éléments du groupe \( 1 \) au groupe \( 18 \) plutôt que les noms communs des familles ou des groupes.
Dans ce contexte, les familles se distinguent par la position orbitale de l'électron le plus externe. En effet, le nombre d'électrons de valence est le principal facteur permettant de prédire les types de réactions auxquelles un élément participera, les liaisons qu'il formera, son état d'oxydation et un grand nombre de ses propriétés chimiques et physiques.
Le groupe \( 18 \) du tableau périodique est également connu sous le nom de famille des gaz nobles ou groupe des gaz nobles. Ces éléments possèdent \( 8 \) électrons dans la couche de valence. Le groupe \( 1 \) est également connu sous le nom de métaux alcalins ou groupe du lithium. Les éléments de ce groupe possèdent un électron orbital dans la couche externe. Le groupe \( 16 \) est également connu sous le nom de groupe de l'oxygène ou de famille des chalcogènes.
Atome d'hydrogène
Les électrons de valence sont le nombre total d'électrons dans la dernière couche électronique. Le nombre total d'électrons dans la dernière couche après la configuration électronique de l'hydrogène s'appelle les électrons de valence de l'atome d'hydrogène.
Les électrons de valence déterminent les propriétés de l'élément et participent à la formation des liaisons.
Comment calculer le nombre d'électrons de valence d'un atome d'hydrogène ?
Les électrons de valence doivent être déterminés en suivant quelques étapes. La configuration électronique est l'une d'entre elles.
Cependant, les électrons de valence peuvent être facilement identifiés en arrangeant les électrons selon le principe de Bohr. Nous allons maintenant apprendre à déterminer les électrons de valence de l'atome d'hydrogène.
- Détermine le nombre total d'électrons dans l'atome d'hydrogène ;
- Écris la configuration électronique de l'atome d'hydrogène ;
- Déterminer le nombre total d'électrons dans la couche de valence.
La configuration électronique \( 1s^{1} \) montre que la dernière couche de l'atome d'hydrogène possède un électron. Par conséquent, les électrons de valence de l'hydrogène sont au nombre d'un.
Liaison ionique
La liaison ionique est le transfert complet d'électron(s) de valence entre atomes. Il s'agit d'un type de liaison chimique qui génère deux ions de charge opposée. Dans les liaisons ioniques, le métal perd des électrons pour devenir un cation chargé positivement, tandis que le non-métal accepte ces électrons pour devenir un anion chargé négativement.
Les liaisons ioniques nécessitent un donneur d'électrons, souvent un métal, et un accepteur d'électrons, un non-métal.
La liaison ionique est observée parce que les métaux ont peu d'électrons dans leurs orbitales les plus externes. En perdant ces électrons, ces métaux peuvent atteindre la configuration de gaz noble et satisfaire à la règle de l'octet.
De même, les non-métaux qui ont près de \( 8 \) électrons dans leur couche de valence ont tendance à accepter facilement des électrons pour atteindre la configuration de gaz rare.
Dans la liaison ionique, plus d'un électron peut être donné ou reçu pour satisfaire à la règle de l'octet. Les charges de l'anion et du cation correspondent au nombre d'électrons donnés ou reçus. Dans les liaisons ioniques, la charge nette du composé doit être nulle.
Liaison covalente
La liaison covalente est le partage des électrons entre les atomes. Ce type de liaison se produit entre deux atomes du même élément ou d'éléments proches l'un de l'autre dans le tableau périodique. Cette liaison se produit principalement entre les non-métaux, mais elle peut également être observée entre les non-métaux et les métaux.
Si les atomes ont des électronégativités similaires (la même affinité pour les électrons), les liaisons covalentes sont les plus probables.
Étant donné que les deux atomes ont la même affinité pour les électrons et qu'aucun n'a tendance à en donner, ils partagent des électrons afin d'atteindre la configuration octale et de devenir plus stables. En outre, l'énergie d'ionisation de l'atome est trop importante et l'affinité de l'atome pour les électrons est trop faible pour qu'une liaison ionique puisse se produire.
Le carbone ne forme pas de liaisons ioniques parce qu'il possède \( 4 \) électrons de valence, soit la moitié d'un octet. Pour former des liaisons ioniques, les molécules de carbone doivent soit gagner, soit perdre \( 4 \) électrons. Les molécules de carbone partagent donc leurs quatre électrons de valence par le biais de liaisons simples, doubles et triples, de sorte que chaque atome puisse atteindre la configuration électronique de gaz noble.
Électrons de valence - Points clés
- La configuration électronique est l'arrangement des électrons dans les couches, les sous-couches et les orbitales à l'intérieur de l'atome.
- La valence est la propriété d'un élément qui détermine le nombre d'autres atomes avec lesquels un atome de cet élément peut se combiner.
- Les électrons de valence sont les électrons qui existent dans le niveau d'énergie le plus externe/le plus élevé d'un atome. Ce sont les électrons qui participent à la liaison.
- Les électrons de valence d'un élément peuvent être trouvés en examinant la colonne verticale du tableau périodique dans laquelle les éléments sont regroupés.
- Dans une réaction d'oxydoréduction L'état d'oxydation d'un élément nous renseigne sur les électrons de cet élément.
- Une famille chimique est un groupe d'éléments ayant des propriétés chimiques similaires.
- L'atome d'hydrogène possède un seul électron de valence.
- Lorsque des électrons sont donnés d'un atome à un autre par le biais d'une liaison, il s'agit d'une liaison ionique. Lorsque les électrons d'une liaison sont partagés entre les deux atomes, on parle de liaison covalente.
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