Karamö, le prof virtuelLeçon 3 sur 5
Valence d'un élément chimique
Je sais trouver la valence d'un élément, l'utiliser pour écrire la formule d'un composé et, à l'inverse, retrouver une valence à partir d'une formule.
- 50 min
- 6 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir la valence d'un élément
- Déterminer la valence d'un atome à partir de sa structure électronique (Z ≤ 18)
- Écrire la formule d'un composé binaire ou avec un groupement d'atomes grâce aux valences
- Retrouver la valence d'un élément dans une formule donnée
Avant de commencer : Les leçons « Structure de l'atome » (couches K, L, M, électrons externes) et « Classification périodique des éléments » (colonnes, familles).
1Je découvre
En visite chez son oncle, ingénieur à Fria, ville connue pour son usine d'alumine, Alpha découvre que la bauxite n'est pas de l'aluminium pur : on en extrait d'abord une poudre blanche, l'alumine, de formule Al2O3. Son oncle lui montre aussi un morceau de minerai de fer rougeâtre : « Ici, c'est de l'hématite, Fe2O3. »
Alpha fronce les sourcils : « Pourquoi Al2O3 et pas AlO ? Pourquoi l'eau s'écrit-elle H2O et le sel NaCl, avec un seul atome de chaque ? Est-ce qu'il faut apprendre toutes les formules par cœur ? »
Son oncle rit : « Non ! Chaque atome possède un nombre de "mains" pour s'accrocher aux autres. Si tu connais ce nombre, tu peux écrire les formules toi-même. »
Qu'est-ce que la valence d'un élément, et comment s'en servir pour écrire correctement la formule d'un composé ?
2Je comprends
1. Définition de la valence
Historiquement, les chimistes ont comparé les éléments à l'hydrogène, le plus simple. Ils ont constaté qu'un atome de chlore s'unit à un atome d'hydrogène (HCl), un atome d'oxygène à deux (H2O), un atome d'azote à trois (NH3) et un atome de carbone à quatre (CH4).
La valence d'un élément est le nombre de liaisons qu'un de ses atomes peut former avec d'autres atomes. On peut aussi la voir comme le nombre d'atomes d'hydrogène (de valence 1) avec lesquels il peut se combiner. On l'écrit souvent en chiffres romains : Cl (I), O (II), N (III), C (IV).
L'image des « mains » est utile : l'hydrogène a une main, l'oxygène deux, l'azote trois, le carbone quatre. Dans un composé, toutes les mains doivent être tenues : aucune liaison ne reste libre.
2. D'où vient la valence ? Le lien avec les électrons externes
Tu as vu que les gaz nobles, dont la couche externe est pleine (2 électrons pour l'hélium, 8 pour le néon et l'argon), sont très stables. Les autres atomes cherchent à obtenir une structure semblable : c'est la règle de l'octet (8 électrons externes) ou, pour l'hydrogène, la règle du duet (2 électrons).
Pour y arriver, un atome peut perdre, gagner ou mettre en commun des électrons. La valence est le nombre d'électrons concernés. Pour les éléments de Z ≤ 18, si l'atome a n électrons externes :
- si n ≤ 4 : valence = n ;
- si n > 4 : valence = 8 - n (nombre d'électrons qu'il lui manque pour avoir 8) ;
- si la couche externe est pleine (gaz nobles) : valence = 0.
Méthode
Pour trouver la valence d'un élément (Z ≤ 18) :
- J'écris sa structure électronique en couches K, L, M.
- Je compte les électrons de la couche externe : n.
- Si n ≤ 4, la valence vaut n ; si n > 4, la valence vaut 8 − n.
- Je contrôle avec des composés connus (H₂O pour O, NH₃ pour N, CH₄ pour C…).
Exemple
Valence de l'oxygène, de l'azote et de l'aluminium.
Oxygène (Z = 8) : (K)² (L)⁶, donc n = 6 > 4. Valence = 8 − 6 = 2. Contrôle : H₂O.
Azote (Z = 7) : (K)² (L)⁵, donc n = 5. Valence = 8 − 5 = 3. Contrôle : NH₃.
Aluminium (Z = 13) : (K)² (L)⁸ (M)³, donc n = 3 ≤ 4. Valence = 3. L'atome perd ses 3 électrons externes pour donner Al³⁺.
3. Tableau des valences usuelles
| Valence | Éléments |
|---|---|
| I | H, Na, K, Cl, F, Br, I, Ag |
| II | O, Mg, Ca, Zn, S (dans H2S) |
| III | Al, N (dans NH3), B |
| IV | C, Si |
| variable | Fe (II ou III), Cu (I ou II), S (II, IV ou VI) |
Attention : certains éléments, surtout les métaux comme le fer et le cuivre, ont plusieurs valences. C'est la formule qui permet de savoir laquelle est utilisée (voir partie 5).
4. Écrire la formule d'un composé grâce aux valences
Dans un composé de deux éléments A et B, le nombre total de liaisons doit être le même des deux côtés :
(nombre d'atomes de A) × (valence de A) = (nombre d'atomes de B) × (valence de B).
Une méthode rapide : on croise les valences. La valence de B devient l'indice de A, la valence de A devient l'indice de B, puis on simplifie si possible.
Exemple
Écrire la formule de l'alumine (aluminium et oxygène).
Al a la valence III, O a la valence II.
On croise : Al₂O₃ (2 atomes d'Al, 3 atomes d'O).
Vérification : côté Al, 2 × 3 = 6 liaisons ; côté O, 3 × 2 = 6 liaisons. C'est équilibré.
Les indices 2 et 3 n'ont pas de diviseur commun : la formule est Al₂O₃.
Exemple
Écrire la formule de l'oxyde de magnésium et celle du dioxyde de carbone.
Magnésium (II) et oxygène (II) : on croise, on obtient Mg₂O₂, que l'on simplifie par 2 : MgO.
Carbone (IV) et oxygène (II) : on croise, on obtient C₂O₄, que l'on simplifie par 2 : CO₂.
Vérification pour CO₂ : 1 × 4 = 4 et 2 × 2 = 4.
Les groupements d'atomes. Certains groupes d'atomes restent unis dans les réactions et se comportent comme un seul « élément » avec sa propre valence :
| Groupement | Nom | Valence |
|---|---|---|
| OH | hydroxyde | I |
| NO3 | nitrate | I |
| SO4 | sulfate | II |
| CO3 | carbonate | II |
| PO4 | phosphate | III |
Quand un groupement a un indice supérieur à 1, on le met entre parenthèses : l'hydroxyde de calcium (Ca : II, OH : I) s'écrit Ca(OH)2 ; le sulfate d'aluminium (Al : III, SO₄ : II), utilisé pour clarifier l'eau de boisson, s'écrit Al2(SO4)3.
5. Retrouver la valence à partir d'une formule
On fait le raisonnement inverse, en partant d'un élément de valence connue (souvent O = II, H = I ou Cl = I).
Exemple
Quelle est la valence du fer dans l'hématite Fe₂O₃ ? et dans FeO ?
Fe₂O₃ : les 3 atomes d'oxygène apportent 3 × 2 = 6 liaisons. Elles sont partagées entre 2 atomes de fer : 6 ÷ 2 = 3. Le fer a la valence III.
FeO : 1 atome d'oxygène apporte 1 × 2 = 2 liaisons pour 1 atome de fer. Le fer a la valence II.
Le fer a donc deux valences possibles, comme annoncé dans le tableau.
6. La formule développée
La valence permet aussi de dessiner la formule développée d'une molécule, où chaque liaison est représentée par un trait. Chaque atome porte autant de traits que sa valence :
- chlorure d'hydrogène : H–Cl (H : un trait ; Cl : un trait) ;
- eau : H–O–H (O : deux traits) ;
- dioxyde de carbone : O=C=O (C : quatre traits ; chaque O : deux traits, grâce à des doubles liaisons) ;
- méthane : un atome de C relié par quatre traits simples à quatre atomes H, comme tu l'as vu en 10e avec la tétravalence du carbone.
- 1Je repère la valence de chaque élément (H : I, O : II, N : III, C : IV).
- 2Je place au centre l'atome qui a la plus grande valence.
- 3Je relie les autres atomes à lui par des traits.
- 4Je vérifie que chaque atome porte exactement autant de traits que sa valence.
- 5Si des traits manquent, j'utilise des doubles ou triples liaisons.
3Je retiens
Je retiens
La valence d'un élément est le nombre de liaisons qu'un de ses atomes peut former.
Valences usuelles : H, Na, Cl : I ; O, Mg, Ca : II ; Al, N : III ; C : IV. Fe : II ou III ; Cu : I ou II.
Pour Z ≤ 18 : n électrons externes → valence n si n ≤ 4, valence 8 − n si n > 4 ; gaz nobles : 0.
Dans un composé : (nombre d'atomes de A) × (valence de A) = (nombre d'atomes de B) × (valence de B).
Méthode du croisement : on croise les valences, puis on simplifie les indices.
Un groupement (OH, SO₄, NO₃, CO₃, PO₄) garde sa valence ; avec un indice, on l'écrit entre parenthèses.
4Erreurs fréquentes
- Oublier de simplifier : Mg (II) et O (II) donnent MgO, pas Mg₂O₂.
- Oublier les parenthèses autour d'un groupement : l'hydroxyde de calcium s'écrit Ca(OH)₂ et non CaOH₂.
- Prendre le nombre d'électrons externes comme valence dans tous les cas : l'oxygène a 6 électrons externes mais sa valence est 8 − 6 = 2.
- Croire qu'un élément n'a qu'une seule valence : le fer est II dans FeO et III dans Fe₂O₃.
5Je m’exerce
1Exercice 1
À partir de la structure électronique, détermine la valence de : lithium (Z = 3), carbone (Z = 6), fluor (Z = 9), magnésium (Z = 12), soufre (Z = 16), néon (Z = 10).
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- Li : (K)2 (L)1, 1 électron externe → valence I.
- C : (K)2 (L)4, 4 électrons externes → valence IV.
- F : (K)2 (L)7, 7 électrons externes → valence 8 - 7 = 1 (I).
- Mg : (K)2 (L)8 (M)2 → valence II.
- S : (K)2 (L)8 (M)6 → valence 8 - 6 = 2 (II).
- Ne : (K)2 (L)8, couche externe pleine → valence 0 (gaz noble).
2Exercice 2
En utilisant les valences, écris la formule des composés formés par :
a) le sodium et le chlore ; b) le calcium et le chlore ; c) l'azote et l'hydrogène ; d) l'aluminium et le chlore ; e) le magnésium et l'azote.
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a) Na (I) et Cl (I) : NaCl.
b) Ca (II) et Cl (I) : on croise → CaCl2 (1 × 2 = 2 × 1).
c) N (III) et H (I) : NH3.
d) Al (III) et Cl (I) : AlCl3.
e) Mg (II) et N (III) : on croise → Mg3N2 (3 × 2 = 6 et 2 × 3 = 6).
3Exercice 3
Écris la formule de : a) l'hydroxyde de sodium ; b) le carbonate de calcium ; c) le nitrate de cuivre (cuivre de valence II) ; d) le phosphate de calcium.
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a) Na (I) et OH (I) : NaOH.
b) Ca (II) et CO₃ (II) : Ca2(CO3)2 se simplifie en CaCO3.
c) Cu (II) et NO₃ (I) : Cu(NO3)2.
d) Ca (II) et PO₄ (III) : Ca3(PO4)2 (3 × 2 = 6 et 2 × 3 = 6).
4Exercice 4
Détermine la valence de l'élément indiqué dans chaque formule (O a la valence II, Cl a la valence I) : le cuivre dans Cu2O et dans CuO ; le soufre dans SO2 et dans SO3 ; le fer dans FeCl3.
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- Cu2O : 1 O donne 1 × 2 = 2 liaisons pour 2 Cu, soit 2 ÷ 2 = 1 : cuivre de valence I.
- CuO : 2 liaisons pour 1 Cu : valence II.
- SO2 : 2 × 2 = 4 liaisons pour 1 S : valence IV.
- SO3 : 3 × 2 = 6 liaisons pour 1 S : valence VI.
- FeCl3 : 3 × 1 = 3 liaisons pour 1 Fe : valence III.
5Exercice 5
Écris la formule développée de : a) l'ammoniac NH3 ; b) le sulfure d'hydrogène H2S ; c) le dioxygène O2.
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a) L'azote, au centre, porte trois traits simples, chacun relié à un atome H : chaque H porte un trait, N en porte trois.
b) H–S–H : le soufre (valence II) porte deux traits.
c) O=O : chaque atome d'oxygène porte deux traits, grâce à une double liaison.
6Exercice 6
(Problème) Dans une usine d'alumine, comme celle de Fria, on produit de l'alumine à partir de la bauxite. Données : M(Al) = 27 g/mol ; M(O) = 16 g/mol ; M(Fe) = 56 g/mol.
a) Retrouve la formule de l'alumine à partir des valences.
b) Calcule sa masse molaire.
c) Calcule le pourcentage en masse d'aluminium dans l'alumine, puis la masse d'aluminium contenue dans 1 tonne d'alumine.
d) Même question pour le fer dans l'hématite Fe2O3 : quel est son pourcentage en masse ?
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a) Al (III) et O (II) : on croise → Al2O3.
b) M(Al2O3) = 2 × 27 + 3 × 16 = 54 + 48 = 102 g/mol.
c) Pourcentage d'aluminium : 54102 × 100 ≈ 52,9 \%. Dans 1 tonne = 1 000 kg d'alumine : 1 000 × 54102 ≈ 529 kg d'aluminium.
d) M(Fe2O3) = 2 × 56 + 3 × 16 = 112 + 48 = 160 g/mol. Pourcentage de fer : 112160 × 100 = 70 \%.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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