Chapitre

Rappels

Les termes entité chimique désignent les objets microscopiques de la chimie, à savoir des atomes, ou bien des ions, ou encore des molécules.

Un atome est une entité chimique électriquement neutre, à la base de la composition de toute la matière. Les atomes sont souvent appelés les briques élémentaires de la matière. Ils sont composés d'électrons en périphérie et d'un noyau central, lui-même composé de particules de deux types, les protons et les neutrons. Les protons et les neutrons ont des charges électriques de même valeur mais de signes opposés. L'électroneutralité de l'atome s'explique alors par un nombre égal de protons dans le noyau de l'atome et d'électrons en sa périphérie.
Ex. : tous les atomes de carbone possèdent six protons et donc six électrons. La plupart d'entre eux possèdent également six neutrons.

Un ion monoatomique est une entité chimique formée par la transformation d'un atome durant laquelle l'atome aura perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Si un électron a été perdu par l'atome, l'ion formé est un cation, il porte une charge électrique de signe positif. Si un électron a été gagné par l'atome, l'ion formé est un anion, il porte une charge électrique de signe négatif.
Ex. : l'anion fluorure F^- est formé lorsqu'un atome de fluor gagne un électron ; le cation magnésium Mg²⁺ est formé lorsqu'un atome de magnésium perd deux électrons.

Une molécule est une entité chimique électriquement neutre formée par au moins deux atomes et dans laquelle les atomes sont liés entre eux deux à deux par des liaisons chimiques.
Ex. : chaque molécule d'eau est formée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène, les liaisons étant établies entre chaque hydrogène et l'oxygène, au centre.

La répartition des électrons autour du noyau

Couches électroniques réparties autour du noyau comme des peaux d'oignon

Les électrons, situés en périphérie de l'atome, ne sont pas localisés n'importe où. Il existe des régions autour du noyau où la probabilité de localiser un électron est plus grande. Ces régions sont appelées des couches électroniques. À la façon des peaux d'un oignon, ces couches se trouvent proches ou loin du noyau de l'atome.

Les couches les plus internes sont les moins coûteuses en énergie. Les électrons s'y logent de manière privilégiée si la place est disponible. Si une couche est pleine, on parle de couchée saturée. Les électrons restants viennent alors occuper la couche suivante, et ainsi de suite.
Par exemple, un atome de magnésium compte douze électrons. Parmi ces douze électrons, deux viennent occuper la couche 1, saturée avec deux électrons. Il en reste dix. Parmi ces dix restants, huit viennent occuper la couche numéro 2, qui est à son tour saturée. Il reste deux électrons, qui viennent occuper la couche numéro 3.

Métaphore des couches électroniques en chambres d'hôtel. On loge les électrons d'abord près du noyau, puis on passe aux couches suivantes s'il en reste.

La dernière couche occupée est appelée la couche externe ou couche de valence. dans l'exemple précédent, c'est la couche 3 qui joue le rôle de couche externe.
Chaque couche peut se décomposer en sous-couches. La couche 1 ne compte qu'une seule sous-couche, notée "1s". La couche 2 compte deux sous-couches, "2s" et "2p" avec au maximum deux et six électrons chacune. Enfin la couche trois compte notamment les sous-couches "3s" et "3p" avec également deux et six électrons chacune.

Dans le cas du magnésium, on écrit alors : ₁₂Mg : 1s² 2s² 2p⁶ 3s². On parle de configuration électronique. Les exposants indiquent le nombre d'électrons qui occupent la sous-couche étudiée. La somme de tous les exposants est bien égale à 12.

Les électrons disposés dans la plus haute couche occupée sont appelés les électrons de valence. Leur nombre est responsable de la stabilité d'une entité chimique : c'est à cause de ce nombre que certains atomes vont rester des atomes isolés, d'autres vont former des ions ou bien encore s'assembler pour former des molécules.

Entité stable ? Entité instable ?

En étudiant tous les éléments chimiques disponibles, de nombreux chimistes ont observé que des éléments avaient des prioriétés semblables. Ils ont cherché une façon simple de les ranger en familles. La classification périodique des éléments basée sur le modèle de Mendeleiev, range les atomes en lignes appelées périodes et en colonnes appelées familles.

Structures électroniques des atomes dans la classification

Les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons externes. Ils ont des propriétés chimiques semblables : ions de même charge, nombre de liaisons avec d'autres atomes... Les éléments d'une même ligne ont la même couche externe.
Il s'avère que les gaz rares, qui composent la dernière colonne, sont très souvent identifiés dans la nature en tant qu'atomes isolés. Ils sont stables à l'état d'atomes. Ce n'est le cas d'aucun des autres éléments chimiques, qu'on retrouve soit sous forme d'ions, soit assemblés avec d'autres atomes pour former des molécules.

Les ions ou les molécules se forment pour gagner en stabilité, comme les gaz rares. Les atomes instables des éléments chimiques vont former des ions ou des molécules en s'entourant sur le couche externe de deux ou huit électrons, tout comme les gaz rares.

Pour gagner en stabilité, un atome engage autant d'électrons de sa couche de valence qu'il y a de cases dans le tableau périodique entre celle de son élément et celle du gaz rare le plus proche.

Formation des ions et des molécules

▪Formation des ions :
Pour former un ion stable, un atome gagne ou perd des électrons.
Les atomes des éléments chimiques du bloc de gauche dans la classification périodique sont à une ou deux cases à droite d'un gaz rare : ils formeront des ions X⁺ ou X²⁺.
Les atomes des éléments chimiques du bloc de droite dans la classification périodique sont à quelques cases à gauche d'un gaz rare : ils formeront des ions X^- ou X^2- ou X^3-...

Exemple : [₁₁Na] = 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.
Gaz rare le plus proche : néon (Z = 10) : [₁₀Ne] = 1s² 2s² 2p⁶. Pour former un ion stable, le sodium va perdre l'électron de la sous-couche 3s. Il se forme alors l'ion Na⁺ (par perte d'une charge électrique négative).

▪Formation des molécules :
Pour former une molécule, les atomes s'assemblent entre eux à l'aide de liaisons covalentes. Deux atomes forment une liaison entre eux si chacun d'eux fournit un électron : la paire d'électron est mise en commun entre les deux atomes, ce qui les relie.
Dans une molécule, un atome engage autant de liaisons covalentes qu'il lui manque d'électrons pour être stable.
Pour cela, il doit lui même engager le même nombre d'électrons de sa couche externe. S'il reste des électrons de valence qui n'ont pas été mobilisés pour former des liaisons covalentes, alors ces électrons restants se groupent par deux et forment autour de l'atome des doublets non liants.

La distribution des électrons des atomes d'une molécule dans les liaisons covalentes ou les doublets non liants est appelée le modèle de Lewis de la molécule.

Document illustré sur le modèle de Lewis