La chimie, à travers l'étude de la constitution et des transformations de la matière, nous amène à explorer les échelles macroscopiques et microscopiques. Au niveau microscopique, la modélisation de la matière révèle que le cortège électronique d'un atome définit ses propriétés chimiques. Parmi ces électrons, une distinction cruciale est faite entre les électrons de valence et les électrons de cœur.
Définitions Fondamentales : Couche de Valence et Électrons de Valence
Par définition, la couche de valence d'un atome (ou d'un ion) correspond à la plus haute couche électronique occupée par des électrons. Cette couche, également appelée couche externe, est la plus éloignée du noyau et constitue la limite entre l'atome et l'espace extérieur. C'est cette couche qui interagit avec les autres entités chimiques, déterminant ainsi les propriétés chimiques de l'atome.
Les électrons de valence sont les électrons appartenant à cette couche de valence. Ce sont les électrons dont l'orbite est la plus éloignée du noyau et qui sont les plus exposés aux autres entités chimiques. Ils sont responsables des propriétés chimiques de l'atome, pouvant être perdus lors de la transformation en cation ou permettant à l'atome de se lier pour former des liaisons covalentes.
Détermination de la Couche de Valence
La couche de valence d'un atome peut être déterminée à partir de sa configuration électronique : il s'agit de la dernière couche notée dans cette configuration.
Exemple du lithium (Z=3) : Sa configuration électronique est
1s²2s¹. Sa couche de valence est la couche n°2, avec une seule sous-couche (2s) contenant un électron. Le lithium possède donc un seul électron de valence.Lire aussi: Mal au cœur en position couchée : comprendre et agir
Exemple de l'oxygène (Z=8) : Sa configuration électronique est
1s²2s²2p⁴. Sa couche de valence est la couche n°2, avec une sous-couche 2s contenant deux électrons et une sous-couche 2p contenant quatre électrons. L'oxygène possède donc un total de 2+4 = 6 électrons de valence.Exemple de l'aluminium (Z=13) : Sa configuration électronique est
1s²2s²2p⁶3s²3p¹. Sa couche de valence est la couche n°3, avec une sous-couche 3s contenant deux électrons et une sous-couche 3p contenant un électron. L'aluminium possède donc un total de 2+1 = 3 électrons de valence.
Le tableau périodique classe les éléments chimiques en tenant compte de leur configuration électronique, regroupant sur une même période (ligne) les éléments ayant la même couche de valence.
Le Rôle Clé des Électrons de Valence dans les Propriétés Chimiques
Les électrons de valence constituent la frontière de l'atome, étant exposés au milieu extérieur avec lequel ils sont susceptibles d'interagir. Les propriétés chimiques d'un atome dépendent donc de ses électrons de valence. Les autres électrons, qualifiés d'électrons de cœur, sont séparés du milieu extérieur par la couche externe, agissant comme une "barrière" limitant leurs interactions avec ce milieu. Les électrons de cœur n'interviennent donc pas dans les processus chimiques.
Les éléments d'une même famille ayant le même nombre d'électrons de valence, ils présentent des propriétés chimiques similaires.
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Détermination du Nombre d'Électrons de Valence d'un Ion
Si l'on connaît le numéro atomique d'un atome et la formule de l'ion monoatomique qu'il forme, il est possible de déterminer le nombre d'électrons de valence de cet ion. La charge excédentaire précisée dans la formule de l'ion indique le nombre d'électrons gagnés ou perdus par rapport à la forme atomique.
Méthode :
- Déterminer le nombre d'électrons de l'ion (à partir du numéro atomique de l'élément chimique et de la formule de l'ion ou en exploitant les règles de stabilité).
- Établir la configuration électronique de l'ion.
- Identifier sa couche de valence (qui n'est pas nécessairement la même que celle de la forme atomique, en particulier pour les cations).
- Déduire le nombre d'électrons de valence en comptant le nombre d'électrons sur la couche de valence.
Exemples :
Le soufre (Z=16) forme l'ion sulfure S²⁻ : L'atome de soufre possède 16 électrons, et l'ion sulfure en possède deux supplémentaires (charge 2-). L'ion sulfure a donc 18 électrons. Sa configuration électronique est
1s²2s²2p⁶3s²3p⁶. Sa couche de valence est la couche n°3, et il possède donc 2 + 6 = 8 électrons de valence.Le sodium (Z=11) forme l'ion sodium Na⁺ : L'atome de sodium possède 11 électrons, et l'ion sodium en possède un de moins (charge +). L'ion sodium a donc 10 électrons. Sa configuration électronique est
1s²2s²2p⁶. Sa couche de valence est la couche n°2, et il possède donc 2 + 6 = 8 électrons de valence.
Règles de Stabilité et Ions
Les règles de stabilité (règles du duet et de l'octet) impliquent que les ions des trois premières périodes du tableau périodique possèdent soit deux, soit huit électrons de valence (ou exceptionnellement aucun).
- 2 électrons de valence pour les ions lithium (Li⁺), hydrure (H⁻), béryllium (Be²⁺) et bore (B³⁺).
- 8 électrons de valence pour les ions oxyde (O²⁻), fluorure (F⁻), sodium (Na⁺), magnésium (Mg²⁺), aluminium (Al³⁺), sulfure (S²⁻), chlorure (Cl⁻), potassium (K⁺) et calcium (Ca²⁺).
- L'ion hydrogène (H⁺) est une exception et ne possède aucun électron de valence.
Électrons de Valence et Liaisons Covalentes
Lorsqu'un atome fait partie d'une molécule, il forme une ou plusieurs liaisons covalentes avec d'autres atomes. Un atome qui forme une liaison covalente possède un électron de valence de plus que l'atome isolé. Un atome qui forme deux liaisons covalentes possède deux électrons de valence supplémentaires par rapport à sa forme atomique isolée, et ainsi de suite.
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- Dans une molécule, l'atome d'hydrogène (H) a deux électrons de valence.
- Dans une molécule, les atomes de carbone (C), d'azote (N), d'oxygène (O), de fluor (F), de silicium (Si), de phosphore (P), de soufre (S) et de chlore (Cl) possèdent chacun huit électrons de valence.
Représentation de Lewis
La représentation de Lewis est une représentation montrant tous les électrons de valence des atomes d'une molécule, soit sous forme de doublets liants (liaison entre deux atomes), soit sous forme de doublets non liants.
- L'hydrogène, entouré d'un seul doublet liant, y possède deux électrons de valence.
- Le soufre, entouré de quatre doublets (deux liants et deux non liants), y possède 4 x 2 = 8 électrons de valence.
Liens avec le Tableau Périodique et la Configuration Électronique
La configuration électronique d'un élément chimique permet sa classification dans le tableau périodique. Inversement, la position d'un élément dans le tableau périodique peut aider à déterminer sa configuration électronique.
- Ligne (période) : Détermine la couche de valence.
- Colonne (groupe) : Détermine le nombre d'électrons de valence et les propriétés chimiques.
Les éléments d'une même colonne forment facilement des ions monoatomiques qui ont la même charge électrique, partageant ainsi des propriétés chimiques similaires.
Stabilité Chimique et Réactivité
La saturation en électrons de la couche externe assure la stabilité de l'espèce chimique. Au contraire, l'absence de saturation de la couche externe en électrons de valence explique la réactivité d'une espèce chimique. Les gaz nobles, avec leur couche externe saturée, sont chimiquement inertes et stables. Les autres éléments chimiques réagissent de manière à saturer leur couche externe, formant des liaisons ou des ions afin d'acquérir une configuration électronique similaire à celle des gaz nobles.
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