Karamö, le prof virtuelLeçon 4 sur 5
Relation entre la classification périodique et la structure atomique
Je sais expliquer la place d'un élément dans le tableau par sa structure électronique, et en déduire ses propriétés (ion formé, valence, caractère métallique).
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Relier le numéro de la période au nombre de couches électroniques occupées
- Relier le numéro de la colonne au nombre d'électrons externes
- Expliquer pourquoi les éléments d'une même famille ont des propriétés voisines
- Prévoir l'ion formé et la valence d'un élément selon sa colonne
Avant de commencer : Les leçons « Structure de l'atome », « Classification périodique des éléments » et « Valence d'un élément chimique ».
1Je découvre
Hawa prépare son devoir de chimie à la lueur de sa lampe, pendant une coupure de courant à Labé. Sur une feuille, elle a recopié le tableau des 18 premiers éléments. Sur une autre, elle a écrit les structures électroniques qu'elle a apprises : (K)2 (L)8 (M)1 pour le sodium, (K)2 (L)1 pour le lithium, (K)2 (L)8 (M)7 pour le chlore, (K)2 (L)7 pour le fluor…
Soudain, elle remarque quelque chose. Le lithium et le sodium, qui sont l'un au-dessus de l'autre dans la colonne I, ont tous les deux un seul électron sur leur dernière couche. Le fluor et le chlore, dans la colonne VII, en ont tous les deux sept. Et le sodium, dans la 3e période, a trois couches occupées, alors que le lithium, dans la 2e période, n'en a que deux.
Est-ce un hasard ? Mendeleïev ne connaissait pourtant pas les électrons quand il a construit son tableau…
Quel lien existe-t-il entre la place d'un élément dans la classification et la structure électronique de ses atomes ?
2Je comprends
1. La période et le nombre de couches
Écrivons la structure électronique des éléments de la 2e et de la 3e période.
| Période 2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Structure | K2L1 | K2L2 | K2L3 | K2L4 | K2L5 | K2L6 | K2L7 | K2L8 |
| Période 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Structure | K2L8M1 | K2L8M2 | K2L8M3 | K2L8M4 | K2L8M5 | K2L8M6 | K2L8M7 | K2L8M8 |
Tous les éléments de la période 2 ont deux couches occupées (K et L) ; ceux de la période 3 en ont trois (K, L et M). Ceux de la période 1 (H et He) n'ont que la couche K.
Règle 1 : le numéro de la période est égal au nombre de couches électroniques occupées. Autrement dit, la couche externe est la couche K pour la période 1, L pour la période 2, M pour la période 3.
Changer de période, c'est commencer à remplir une nouvelle couche. Chaque période se termine par un gaz noble, dont la couche externe est pleine.
2. La colonne et le nombre d'électrons externes
Regarde maintenant les colonnes. Dans la période 3, en allant de gauche à droite, le nombre d'électrons externes augmente de 1 à chaque case :
Na (colonne I) : 1 électron externe
Mg (colonne II) : 2 électrons externes
Al (colonne III) : 3 électrons externes
Si (colonne IV) : 4 électrons externes
P (colonne V) : 5 électrons externes
S (colonne VI) : 6 électrons externes
Cl (colonne VII) : 7 électrons externes
Ar (colonne VIII) : 8 électrons externes
Règle 2 : pour les éléments du tableau simplifié, le numéro de la colonne (I à VIII) est égal au nombre d'électrons de la couche externe.
Une seule exception : l'hélium, (K)2, n'a que 2 électrons externes, mais il est placé dans la colonne VIII, avec les gaz nobles, parce que sa couche externe (la couche K) est pleine, comme celle du néon et de l'argon.
Exemple
Vérifier les deux règles sur le soufre (Z = 16).
Structure : (K)² (L)⁸ (M)⁶.
Trois couches occupées → période 3.
6 électrons sur la couche externe M → colonne VI.
C'est bien la place du soufre dans le tableau, sous l'oxygène (K)² (L)⁶, qui a lui aussi 6 électrons externes.
3. Pourquoi une famille a-t-elle des propriétés voisines ?
Les réactions chimiques mettent en jeu les électrons externes. Or tous les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons externes. Ils réagissent donc de la même manière : c'est l'explication, par la structure atomique, de ce que Mendeleïev avait observé.
| Famille | Colonne | Électrons externes | Ce que fait l'atome | Ion formé |
|---|---|---|---|---|
| Alcalins | I | 1 | perd 1 électron | Li^+, Na^+, K^+ |
| Alcalino-terreux | II | 2 | perd 2 électrons | Mg2+, Ca2+ |
| Colonne III | III | 3 | perd 3 électrons | Al3+ |
| Colonne VI | VI | 6 | gagne 2 électrons | O2-, S2- |
| Halogènes | VII | 7 | gagne 1 électron | F^-, Cl^- |
| Gaz nobles | VIII | 8 (2 pour He) | rien : couche pleine | aucun |
Dans chaque cas, l'ion obtenu a la même structure électronique que le gaz noble le plus proche : Na^+ et F^- ont la structure du néon, (K)2 (L)8 ; Cl^- a celle de l'argon, (K)2 (L)8 (M)8.
Exemple
Prévoir l'ion formé par le magnésium et par l'oxygène, puis la formule de l'oxyde de magnésium.
Mg (Z = 12) : (K)² (L)⁸ (M)², colonne II. Il perd ses 2 électrons externes : Mg²⁺, de structure (K)² (L)⁸.
O (Z = 8) : (K)² (L)⁶, colonne VI. Il gagne 2 électrons : O²⁻, de structure (K)² (L)⁸.
Pour que l'ensemble soit neutre, il faut un ion Mg²⁺ pour un ion O²⁻ : la formule est MgO.
On retrouve le résultat de la leçon sur la valence : Mg (II) et O (II).
4. La valence se lit dans le tableau
Tu peux maintenant relier les trois leçons : colonne → électrons externes → valence.
| Colonne | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Électrons externes | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Valence usuelle | 1 | 2 | 3 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
La valence augmente de I à IV, puis diminue jusqu'à 0 : c'est encore une manifestation de la périodicité.
5. Comment évoluent les propriétés dans le tableau ?
Dans une période (de gauche à droite) : le nombre d'électrons externes augmente. À gauche, les atomes perdent facilement leurs quelques électrons externes : ce sont des métaux. À droite, les atomes gagnent facilement les électrons qui leur manquent : ce sont des non-métaux. Le caractère métallique diminue de gauche à droite. On dit aussi que l'électronégativité (la tendance d'un atome à attirer les électrons) augmente de gauche à droite.
Dans une colonne (de haut en bas) : les atomes ont de plus en plus de couches, ils sont plus gros, et leurs électrons externes sont plus loin du noyau. Chez les alcalins, ces électrons partent donc plus facilement : la réactivité augmente du lithium au sodium puis au potassium. Chez les halogènes, c'est l'inverse : le fluor, en haut, est le plus réactif, car il attire le plus fortement l'électron qu'il gagne.
- nombre de couches identique
- électrons externes : de 1 à 8
- on passe des métaux aux non-métaux
- la valence monte jusqu'à 4 puis redescend
- une couche de plus à chaque période
- même nombre d'électrons externes
- propriétés chimiques voisines (famille)
- même valence usuelle
Méthode
Pour expliquer une propriété d'un élément par sa place dans le tableau :
- J'écris sa structure électronique.
- J'en déduis sa période (nombre de couches) et sa colonne (électrons externes).
- J'indique s'il a tendance à perdre ou à gagner des électrons pour ressembler au gaz noble le plus proche.
- J'en déduis l'ion formé, la valence et le caractère métallique ou non.
3Je retiens
Je retiens
Numéro de la période = nombre de couches électroniques occupées.
Numéro de la colonne (tableau simplifié I à VIII) = nombre d'électrons externes (sauf He : 2 électrons, colonne VIII).
Les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons externes, donc des propriétés chimiques voisines.
Les atomes perdent ou gagnent des électrons pour obtenir la structure du gaz noble le plus proche (règles du duet et de l'octet).
Colonne I → ion X⁺ ; II → X²⁺ ; III → X³⁺ ; VI → X²⁻ ; VII → X⁻ ; VIII → pas d'ion.
De gauche à droite dans une période : le caractère métallique diminue.
4Erreurs fréquentes
- Confondre les deux règles : la période donne le nombre de couches, la colonne donne le nombre d'électrons externes (et non l'inverse).
- Oublier l'exception de l'hélium : il a 2 électrons externes mais il est dans la colonne VIII, car sa couche K est pleine.
- Croire que le chlore perd 7 électrons : il est beaucoup plus facile d'en gagner 1 pour atteindre 8. Il forme Cl⁻.
- Penser que deux éléments d'une même période ont des propriétés voisines : ce sont les éléments d'une même colonne qui se ressemblent.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Que représente le numéro de la période d'un élément ?
b) Que représente le numéro de sa colonne dans le tableau simplifié ?
c) Pourquoi l'hélium est-il placé dans la colonne VIII ?
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a) Le numéro de la période est le nombre de couches électroniques occupées.
b) Le numéro de la colonne est le nombre d'électrons de la couche externe.
c) L'hélium a 2 électrons, qui remplissent complètement sa seule couche, la couche K. Comme les autres gaz nobles, il a une couche externe pleine et il est inerte : il est donc placé avec eux, dans la colonne VIII.
2Exercice 2
Pour chacun des éléments suivants, écris la structure électronique, puis déduis-en la période et la colonne : béryllium (Z = 4), azote (Z = 7), silicium (Z = 14), chlore (Z = 17).
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- Be : (K)2 (L)2 → 2 couches, période 2 ; 2 électrons externes, colonne II.
- N : (K)2 (L)5 → période 2 ; colonne V.
- Si : (K)2 (L)8 (M)4 → période 3 ; colonne IV.
- Cl : (K)2 (L)8 (M)7 → période 3 ; colonne VII.
3Exercice 3
Le lithium (Z = 3), le sodium (Z = 11) et le potassium (Z = 19, structure (K)2 (L)8 (M)8 (N)1) appartiennent à la même famille.
a) Quel est leur point commun du point de vue électronique ?
b) Quel ion forment-ils ? Écris la structure électronique de l'ion Na^+.
c) Lequel des trois réagit le plus vivement avec l'eau ? Explique.
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a) Ils ont tous un seul électron sur leur couche externe : ils sont dans la colonne I (famille des alcalins).
b) Ils perdent cet électron et forment un ion X^+. Na^+ a 11 - 1 = 10 électrons : (K)2 (L)8.
c) Le potassium. Il a le plus de couches : son électron externe est le plus éloigné du noyau, donc le moins retenu. Il le perd le plus facilement, ce qui le rend le plus réactif.
4Exercice 4
Un élément X a la structure électronique (K)2 (L)8 (M)7.
a) Donne sa période et sa colonne. À quelle famille appartient-il ?
b) Quel ion forme-t-il ? À quel gaz noble ressemble cet ion ?
c) X s'associe au calcium (ion Ca2+). Écris la formule du composé obtenu.
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a) Trois couches : période 3. Sept électrons externes : colonne VII. X est un halogène (c'est le chlore, Z = 2 + 8 + 7 = 17).
b) Il gagne 1 électron et forme l'ion X^- (Cl^-), de structure (K)2 (L)8 (M)8, celle de l'argon.
c) Pour être neutre, il faut deux ions Cl^- pour un ion Ca2+ : CaCl2.
5Exercice 5
(Type examen) On considère trois éléments A, B et C de numéros atomiques 8, 12 et 16.
a) Écris la structure électronique de chacun et place-les dans le tableau (période et colonne).
b) Quels sont les deux éléments qui ont des propriétés chimiques voisines ? Justifie.
c) Lequel est un métal ? Justifie par sa structure électronique.
d) Donne l'ion formé par chaque élément et la formule du composé formé par B et A.
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a) A (Z = 8) : (K)2 (L)6 → période 2, colonne VI.
B (Z = 12) : (K)2 (L)8 (M)2 → période 3, colonne II.
C (Z = 16) : (K)2 (L)8 (M)6 → période 3, colonne VI.
b) A et C : ils ont le même nombre d'électrons externes (6), ils sont dans la même colonne (VI), donc dans la même famille. (A est l'oxygène, C le soufre.)
c) B est un métal : il n'a que 2 électrons externes, qu'il perd facilement. (B est le magnésium.)
d) A gagne 2 électrons : A2- (O2-). B perd 2 électrons : B2+ (Mg2+). C gagne 2 électrons : C2- (S2-). Le composé de B et A contient autant d'ions B2+ que d'ions A2- : sa formule est BA, c'est-à-dire MgO.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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