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Couche ťlectronique
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Exercices

1/ Les électrons se répartissent par couches.

Comprendre

couches électroniquestableau periodiqueTableau Lewis atomes et liaisons Remplir les couches

On se concentrera sur l’étude des 3 premières couches. La première(K) peut contenir 2 électrons et les deux suivantes (L et M) 8 chacune.
Le tableau périodique illustre cette répartition par couche. Chaque période (ligne) représente une nouvelle couche.
Les couches successives sont de plus en plus éloignées du noyau. Les électrons vont se répartir en priorité sur les couches les plus proches du noyau(sur les couches internes). La couche externe(la plus à l'exterieur) pourra être appelée couche de valence, elle a un nom spécial car c'est la couche la plus importante. L'azote (N) va avoir un remplissage de ses couches K et L car il possède 7 électrons. On écrira (K)²(L)5
Ces couches représentent l’énergie des électrons qui les occupent. Plus un électron est sur une couche externe, plus il a d’énergie.

Doublets d'électrons
représentation de Lewis

Il y a 1 site sur la couche K et 4 sites sur la couche L et M. Chacun de ces sites peut contenir 2 électrons.Les électrons se mettent de préférence un par site(on dit qu'ils sont célibataires) puis s'assemblent par deux quand ils n'ont pas le choix. Les électrons célibataires peuvent servir à l'atome pour former des liaisons avec d'autres atomes.

Doublets d'électrons

Il peut √™tre utile de repr√©senter les √©lectrons de la couche externe(la couche de valence) de fa√ßon symbolique pour conna√ģtre les propri√©t√©s des atomes.
Les électrons célibataires seront représentés par des points
les doublets par des traits.
On nomme cela la représentation de Lewis en hommage au chimiste du même nom.

Analyse

Que se passe-t-il quand un électron absorbe un grain de lumière(un photon)?
Qu'appelle-t-on l'énergie d'ionisation?

1/ Exercices

Conna√ģtre

1/ Le ni√®me √©l√©ment 
(8 mn)

Déterminer la ligne à laquelle appartiennent chacun des atomes ci-dessous, puis déterminer leurs symboles :

(K)2

Ligne 1 car la couche K est la couche externe, Hélium

(K)2 (L)8 (M)2

Ligne 3 car M est la couche externe,Magnésium

(K)2(L)8(M)5

Ligne 3, Phosphore

(K)2(L)2

Ligne 2 car L est la couche externe,Béryllium

(K)2(L)7

Ligne 2 car L est la couche externe,Fluor

(K)2(L)8(M)8

Ligne 3 car M est la couche externe,Argon

Comprendre

1/ Mendele√Įev et les couches...Animation 
(4 mn)
1/ De l'atome au noyau 
(5 mn)

On est arrivé à isoler un atome inconnu dont la formule électronique d'un atome est: (K)2(L)8(M)7.

Quel est le nom de la couche externe de cet atome?

C'est la couche M (la troisième couche)

Combien d'électrons cet atome possède-t-il sur sa couche externe?

Il possède 7 électrons sur sa couche externe. On les appellera électrons de valence.

Combien d'électrons possède-t-il au total?

2 + 8 + 7= 17 électrons

Donner le symbole de son noyau sous la forme ZAX, sachant que son noyau comporte 18 neutrons et qu'il est sous sa forme atomique.

Si c'est un atome, il a autant de protons que d'électrons, c'est à dire 17, c'est donc du chlore (Z=17).
A =17 protons + 18 neutrons= 35.
1735Cl

2/ Un élément sera plus stable s'il a sa couche externe complète.

Comprendre

Les atomes qui n'ont pas une couche externe remplie vont avoir tendance à trouver un moyen pour y arriver. Soit ils vont accaparer ou perdre des électrons pour devenir des ions, soit ils vont créer des liaisons avec d'autres atomes.
Les atomes qui ne possèdent pas beaucoup d’électrons (moins de 4) sur leur couche externe vont avoir tendance à les perdre pour la vider. Les éléments qui en auront beaucoup auront tendance à en gagner pour remplir la couche. L'hydrogène et l'hélium auront besoin de deux électrons sur leur couche externe (règle du duet), les autres atomes auront besoin de 8 (règle de l'octet)..
On s’aperçoit que les gaz nobles (les éléments de la dernière colonne) sont très peu réactifs car ils ont leur couche externe pleine. Ils n’ont donc pas besoin de se lier avec d’autres atomes pour être plus stable.

Liaison

Une liaison est crée quand deux atomes mettent chacun un électron de leur couche de valence en commun. Il faut que ce deux électrons ne soit pas déjà dans un doublet,c'est à dire qu'ils soient célibataires. Cela forme un doublet liant (puisque ce doublet lie les deux atomes). Dans une liaison, tout se passe comme si les électrons partagés appartenaient aux deux atomes à la fois, cela augmente donc le nombre d'électrons sur la couche externe et stabilise l'atome.
Chaque atome a un nombre donné d'électrons célibataires sur sa couche externe et c'est pour cette raison que chaque atome possède un nombre précis de liaisons possibles. Un atome a donc autant de liaisons possibles que d'électrons célibataires sur sa couche externe

Ions

Pour savoir quel ion un élément formera, on regardera s'il est plus facile de vider ou de remplir la couche afin que la couche externe soit remplie.La charge sera naturellement le nombre d'électron enlevé ou ajouté. Si on ajoute des électrons,cela formera un ion négatif, si on enlève des électrons,cela formera un ion positif. L'oxygène doit gagner deux électrons pour que sa couche soit complète, il formera l'ion O2-
Le Lithium doit perdre un électron pour que sa couche K soit complète, il deviendra l'ion Li+

Analyse

tableau électronegativité
L'électronégativité (EN)
capacité d'un élément à attirer les électrons.Plus l'EN est forte, plus l'élément attire les électrons.

EN = 0 les gaz nobles n'ont pas d'électronégativité.
0 ‹ EN ‹ 1.9 : l¬Ď√©l√©ment repousse les √©lectrons, caract√®re m√©tallique (il va former des cations)
1.9 > EN > 2.1 : caractère amphotère(chacun des deux).Il peut repousser ou attirer des électrons
EN > 2.1 : l¬Ď√©l√©ment acquiert des √©lectrons, caract√®re non-m√©tallique(il va former des anions)

2/ Exercices

Comprendre

2/ La soci√©t√© atomique et ses couches 
(10 mn)

Remplis les couches électroniques des atomes suivants.

15P

15P = 15 protons = 15 électrons donc (K)2 (L)8 (M)5

6C

6C = 6 protons = 6 électrons donc (K)2 (L)4 (M)0

18Ar

18Ar = 18 protons = 18 électrons Donc (K)2 (L)8 (M)8

16S

16S = 16 protons = 16 électrons Donc (K)2 (L)8 (M)6

Combien d'électrons le soufre S nécessite-t-il pour que sa couche externe soit complète?

Il lui faut deux électrons supplémentaires

S'il les gagne, quel est l'ion qu'il pourra former ?

L'ion S2-

Remplis les couches électroniques du 9F

9F = 9 protons = 9 électrons Donc (K)2 (L)7 (M)0

Combien d'électrons le fluor F nécessite-t-il pour que sa couche externe soit complète?

Il lui faut un électron supplémentaire.

S'il le(s) gagne, quel est l'ion qu'il pourra former ?

L'ion F-

Remplis les couches électroniques du 3Li

3Li = 3 protons = 3 électrons Donc (K)2 (L)1 (M)0

De combien d'électrons le lithium Li doit-il se débarrasser pour que sa couche externe soit complète?

Il lui faut perdre un électron pour que la couche L soit vide et qu'il ne reste que la couche K complète.

S'il le(s) perd, quel est l'ion qu'il pourra former ?

L'ion Li+

2/ Quel ion pour quel √©l√©ment? 
(6 mn)

A partir de la structure électronique des atomes dans le tableau périodique, déterminer la formule des ions stables que peuvent former :

le magnésium Mg

Mg2+

le lithium Li

Li+

l'oxygène O

O2-

le bore B

B3+

le calcium Ca

Ca2+

le sodium Na

Na+

Appliquer

2/ Couches et liaisons 
(10 mn)

Donne la constitution des couches électronique du carbone, de l'hydrogène , de l'oxygène et de l'azote (N).

hydrogène: (K)1
carbone(K)2(L)4
azote(K)2(L)5
oxygène(K)2(L)6

Donner la formule de Lewis de ces atomes

L'hydrogène possède un électron célibataire
le carbone 4 électrons célibataires
l'azote 3 électrons célibataires et un doublet
l'oxygène deux électrons célibataires et deux doublets d'électrons.

Quand deux éléments mettent chacun un électron en commun, ces électrons appartiennent à la fois aux deux atomes.
La règle du duet nous indique que la couche K doit contenir deux électrons pour être pleine. La règle de l'octet nous indique que les couches L et M doivent contenir 8 électrons pour être complète.Une couche complète permet à l'élément d'être stable.
Etablir les formules développées et vérifier la règle de l’octet sur les molécules suivantes:

Eau H2O

Les hydrogènes respectent la règle du duet et l'oxygène celle de l'octet.

Méthane CH4

Les hydrogènes respectent la règle du duet et le carbone celle de l'octet.

Dichloro-méthane CH2Cl2

Les hydrogènes respectent la règle du duet et le carbone et les chlores celle de l'octet.

Ammoniac NH3

Les hydrogènes respectent la règle du duet et l'azote celle de l'octet.

Dioxyde de carbone CO2

Le carbone et les oxygènes respectent la règle de l'octet car le carbone se lie deux fois avec chaque oxygène.

2/ Ion stable ...ou pas? 
(7 mn)

Pour posséder une structure stable, un ion doir avoir sa couche externe complète.

Quels sont parmi ces différents ions ceux qui ont une structure stable pouvant persister dans la nature?
He+ , Be- ,Be+ ,Be2+ ,Ne- ,Na+ ,Na2+ ,Na- ,O+ ,O- ,O2-

Be2+,Na+,O2- car ce sont les seuls qui ont une couche électronique complète

3/ Les éléments d'une même famille chimique ont des propriétés similaires.

Comprendre

Fête des élémentsPeriodic videos

Le premier qui a imagin√© le tableau p√©riodique, Mendele√Įev, a rang√© les atomes en fonction de leurs propri√©t√©s chimiques et de leur masse. Les propri√©t√©s chimiques d'un atome sont largement dues au nombre d'√©lectrons sur la couche externe (aussi appel√©e couche de valence). Les √©lectrons de la couche de valence d√©finissent le nombre de liaisons que l¬íatome peut avoir, la charge de l¬íion qu¬íil peut devenir et sa r√©activit√© avec les autres atomes et mol√©cules.Si deux atomes ont le m√™me nombre d'√©lectrons sur leur couches externes, il auront des propri√©t√©s comparables.

Diaporama:histoire de la classification
Familles d'éléments
TED: le tableau et les familles d'élémentsAlcalins et eau

Donc dans une famille (une colonne du tableau périodique), on va toujours trouver le même nombre d'électrons sur la couche externe et tous les éléments auront des propriétés comparables.

Phrases mnémotechniques pour retenir les 2 et 3ème période du tableau périodique.
Libre Belle Brebis, Chaque Nuit Orageuse Frissone, Nerveuse.
Jeanne (2L)
Nathan Mange Allègrement Si Papa Sort Claquer de l'Argent.
Laurie (2L)

3/ Exercices

Comprendre

3/ Les halog√®nes sont de retour! 
(7 mn)

Un élément chimique inconnu appartient à la famille des halogènes et sa couche électronique externe est la couche L.
Les halogènes ont tous 7 électrons sur leur couche externe et réagissent au même test au nitrate d’argent.

Identifier cet élément chimique.

La couche L indique la deuxième ligne et la famille des halogènes l'avant dernière colonne, c'est donc du fluor qu'il s'agit.

Etablir la configuration électronique de cet atome.

(K)2 (L)7

Donner le nom et le symbole chimique de l’élément de plus grand nombre atomique Z appartenant à cette famille (les halogènes).

C'est l'astate 85At

L'argent peut former l'ion Ag+ qui peut former un solide avec un autre ion ayant une seule charge négative.

Explique pourquoi tous les halogènes réagissent avec le nitrate d'argent.

Parce qu'en raison du remplissage de leur couche externe, ils ont tous tendance à former un ion ayant une charge négative.

Appliquer

3/ Un atome qui brille dans la nuit... 
(10 mn)

Un atome inconnu possède 3 électrons célibataires et un doublet non liant.

Détermine le nombre d’électrons sur la couche externe de cet atome.

Il doit en avoir 5 car un doublet contient deux électrons 3 + 2 = 5.

Déterminer la formule de Lewis de cet atome.

structure Lewis azote

Une liaison covalente peut être formée quand l'atome possède un électron célibataire.

Combien cet élément peut-il former de liaisons avec d'autres atomes?

Il peut former 3 liaisons car il a 3 électrons célibataires.

structure Lewis azote

La couche électronique externe de l'élément en question est la couche M.

Déterminer la structure électronique, le numéro atomique Z,et identifier l’atome correspondant à l’aide de la classification périodique des éléments.

(K)2 (L)8 (M)5, il a donc 15 électrons donc 15 protons dans son noyau, ce qui correspond au phosphore

Cet atome forme 3 liaisons covalentes simples avec des atomes de chlore au sein d’une molécule.

Donne la formule de Lewis du chlore Cl

3 doublets et un seul électron célibataire qui peut former des liaisons

Donne la formule brute de cette molécule.La formule brute indique le symbole de chaque atome et sa quantité dans la formule.

PCl3 car le chlore ne peut former qu'une liaison

Donne la formule développée de la molécule précédente en utilisant les représentations de Lewis.

Donne les formules brutes des molécules si on remplace cet atome par l’élément bismuth Bi ou par l’élément azote N. Pourquoi ce changement est-il possible?

NCl3 et BiCl3 sont stables parce que les éléments d'une même famille vont avoir le même nombre de liaisons disponibles.

Analyse

3/ Mod√®le de la mol√©cule d'eauImage 
(60 mn)
modèle à l'echelle de la molécule d'eau

Tu as besoin du tableau périodique pour faire cette activité.
On a dessin√© une mol√©cule d¬íeau pour pouvoir l¬í√©tudier dans un logiciel de mod√©lisation de fluide. Compl√®te le sch√©ma-r√©ponse gr√Ęce aux indications ci-dessous.

Trouve les atomes composant la molécule d'eau et nomme-les sur ton schéma

La molécule d'eau comporte deux atomes d'hydrogènes(les deux petits) et un atome d'oxygène (le gros)

Masse

Repr√©sente le bon nombre de protons et de neutrons dans les noyaux des atomes gr√Ęce aux indications du tableau p√©riodique.

On trouve 1 proton chez l'hydrogène, 8 protons et 8 neutrons chez l'oxygène

Trouve la masse des atomes et celle de la molécule en yg(les indications en bas à droite du schéma devraient t'aider).

On sait que les électrons sont tellement légers qu'ils sont négligeables dans la masse de l'atome(ils sont 1000 fois moins lourd que les protons et neutrons). L'hydrogène pèse donc 1 x 1,67 yg = 1,67 yg et l'oxygène (8 + 8)x 1,67 yg = 27,2yg

1 mole est un paquet de 6,02.1023éléments

Trouve la masse molaire des particules élémentaires en grammes

Pour trouver la masse d'une mole, on multiplie la masse d'un élément par le nombre d'Avogadro un proton pèse donc 1,67 yg x 6,02.1023 = 1g
électrons:0,000 91 yg x 6,02.1023 = 0,0054g = 5,4 mg

Déduis-en la masse molaire de chaque atome et celle de la molécule.

Pour trouver la masse d'une mole, on multiplie la masse d'un élément par le nombre d'Avogadro un proton pèse donc 1,67 yg x 6,02.1023 = 1g
électrons:0,000 91 yg x 6,02.1023 = 0,0054g = 5,4 mg
L'atome d'hydrogène possède un proton , il a donc une masse d'un gramme
L'atome d'oxygène possède 8 protons et 8 neutrons: il a donc une masse de 8 + 8 = 16g

Répartition électronique

Les électrons se répartissent par couche et par doublet. Ce sont les électrons de la couche externe (appelés électrons de valence) qui déterminent le diamètre de l’atome. Une liaison entre deux atomes est constituée d'un électron de chaque atome.

Dessine une ligne symbolisant les deux liaisons entre les trois atomes.

Dessine ces lignes √† l'endroit o√Ļ les atomes sont les plus proches.

Deux atomes peuvent mettre chacun un √©lectron c√©libataire en jeu et se lier gr√Ęce √† ce doublet d¬í√©lectrons. Cette liaison unit les atomes au sein des mol√©cules. Chaque √©lectron mis en commun appartient √† la fois aux deux √©l√©ments qui l¬íont en commun.

Nomme les couches sur le schéma et représente les électrons sur leurs couches en sachant que les liaisons entre les atomes sont dus à des électrons célibataires de chaque atome.

La couche la plus interne est la couche L qui contient 2 électrons maximum, la couche suivante est la couche M qui en contient 8 au maximum. L'hydrogène a un électron sur sa couche L, l'oxygène en a 2 sur sa couche L et 6 sur sa couche M

Charge

Trouve la charge des particules élémentaires et déduis-en celle des atomes puis celle de la molécule.

Les électrons ont pour valeur -1,6.10-19 C tandis que les protons ont pour valeur 1,6.10-19 C. Les trois atomes ayant autant de protons que d'électrons, ils sont tous neutres.

Taille

Mesure le rayon de l'atome d'oxygène et de son noyau et déduis combien de fois il faudrait agrandire le noyau pour qu'il fasse la taille de l'atome.

Le noyau est 34 000 fois plus petit que l'atome. Il faudrait donc agrandir 34 000 fois le noyau pour qu'il fasse la taille de l'atome.

3/ Evaluation 3Vidéo ou Lien externe
(5 mn)
3/ Evaluation globaleVidéo ou Lien externe
(10 mn)

Projets

Connaitre le nombre de liaisons d'un atome... (60 mn)
Comment connaitre le nombre d'électrons sur la couche externe d'un atome?
Qu'est ce qu'un doublet d'électrons?

Comment un atome va-t-il assurer sa stabilité?

Connaissance 2

Quelle est la relation entre le nombre de liaisons et les électrons célibataires de la couche de valence?

Comment conna√ģtre le nombre d'√©lectrons c√©libataires d'un √©l√©ment rien qu'√† sa place dans le tableau?

Modèle de la molécule d'eau (90 mn)
Images

On veut mod√©liser la mol√©cule d¬íeau pour pouvoir l¬í√©tudier dans un logiciel de mod√©lisation de fluide. L¬íeau a pour formule H2O. Compl√®te le sch√©ma-r√©ponse gr√Ęce aux indications ci-dessous.

Nommer les atomes

Les deux petits atomes sont les atomes d'hydrogène et le plus gros est l'atome d'oxygène.

Atome Noyau
rayon (en pm) Couches électroniques Protons Neutrons rayon (en 10-3pm)
Hydrogène25(K)1101,4.A1/3
Oxygène60(K)2(L)6881,4.A1/3

Combien comportent-t-ils de protons, de neutrons et d’électrons?

électronprotonneutron
charge (en C)-1,6.10-19+1,6.10-190
masse (en yg)9,1√ó10-41,671,67
taille(en pm)1.10-100,84.10-30,84.10-3

Trouve la charge des particules élémentaires et déduis-en celle des atomes puis celle de la molécule.

Trouve la masse des particules élémentaires et déduis-en celle des atomes et celle de la molécule en yg.(1yg=1.10-24g)

1 mole est un paquet de 6,02.1023éléments

Trouve la masse molaire des particules élémentaires en grammes et déduis-en celle des atomes et celle de la molécule.

Le rayon d¬íun atome se calcule gr√Ęce √† A qui est le nombre de masse (A = nombreneutrons + nombreprotons)

Calcule le rayon des atomes et déduis-en combien de fois on a agrandi le noyau.

Représente les nucléons par des cercles de 8,4 mm de diamètre et places-en le bon nombre dans les noyaux des atomes. On distinguera les neutrons des protons en mettant un + sur ces derniers.

Deux atomes peuvent mettre chacun un √©lectron en jeu et se lier gr√Ęce √† ce doublet d¬í√©lectrons. Cette liaison est ce qui unit les atomes au sein des mol√©cules. Chaque √©lectron mis en commun appartient √† la fois aux deux √©l√©ments qui l¬íont en commun.
Les électrons se répartissent par couche et par doublet. Ce sont les électrons de la couche externe (appelés électrons de valence) qui déterminent le diamètre de l’atome. Donc les électrons de valence doivent être situés sur la périphérie de l’atome.
L¬í√©lectron de l¬íhydrog√®ne et un des √©lectrons de l¬íoxyg√®ne doivent appara√ģtre proche afin que l¬íon visualise la liaison qui unit les deux atomes.

Représente les électrons sur leur couche par des cercles de 1mm de diamètre et calcule combien de fois on les a agrandi.

D’après la loi de Coulomb, deux particules de signes opposés s’attirent et deux particules de même signe se repoussent.

Représente la force électrostatique sous forme de vecteurs entre deux électrons, entre deux protons et entre un proton et un électron.

molecule d'eau atomique