Du noyau aux liaisons : l'atome, le tableau périodique et la règle de l'octet

Ton téléphone, l'air, le sel sur tes frites et toi-même : tout est fabriqué avec moins d'une centaine de briques, les éléments chimiques. Comment si peu de briques donnent-elles des millions de substances ? Réponse : la structure de l'atome et quelques règles simples.

1. L'atome : un noyau minuscule et un nuage d'électrons

Un atome est formé d'un noyau entouré d'électrons. Le noyau contient des protons (charge +e) et des neutrons (sans charge), les nucléons. Les électrons portent la charge −e. La charge élémentaire vaut e = 1,60 × 10⁻¹⁹ C.

Deux nombres définissent un noyau : le numéro atomique Z, nombre de protons, et le nombre de masse A, nombre de nucléons. Le nombre de neutrons vaut A − Z. On note A en haut et Z en bas à gauche du symbole : ¹²₆C pour le carbone 12. Un atome est électriquement neutre : il possède Z électrons.

Exemple travaillé. Le chlore 35 : Z = 17 et A = 35. Son noyau contient 17 protons et 35 − 17 = 18 neutrons ; l'atome possède 17 électrons.

La masse est dans le noyau : un nucléon pèse environ 1,67 × 10⁻²⁷ kg, un électron 9,11 × 10⁻³¹ kg, 1 836 fois moins ; l'atome pèse donc à peu près A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Le noyau (10⁻¹⁵ m) est 100 000 fois plus petit que l'atome (10⁻¹⁰ m), essentiellement vide. Les atomes de même Z forment un élément chimique ; s'ils diffèrent par A, ce sont des isotopes (carbone 12, carbone 14).

2. Le cortège électronique

Les électrons occupent des couches numérotées n = 1, 2, 3…, divisées en sous-couches s (2 électrons au plus) et p (6 au plus). À l'état fondamental, on remplit dans l'ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, et la configuration électronique note le nombre d'électrons en exposant.

Exemples travaillés. Carbone (Z = 6) : 1s² 2s² 2p². Sodium (Z = 11) : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Chlore (Z = 17) : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.

Les électrons de la couche la plus externe sont les électrons de valence : 4 pour le carbone, 1 pour le sodium, 7 pour le chlore (3s² 3p⁵).

3. Lire le tableau périodique

En 1869, Dmitri Mendeleïev remarque que les propriétés des éléments se répètent périodiquement. Le tableau actuel, 118 éléments rangés par Z croissant, reflète la configuration électronique :

• une ligne, ou période, correspond à une couche : le sodium (couche externe n = 3) est dans la 3e période ;
• une colonne rassemble les éléments de même nombre d'électrons de valence, aux propriétés voisines : c'est une famille.

Familles à connaître : les alcalins (colonne 1 : Li, Na, K, 1 électron de valence, très réactifs), les halogènes (colonne 17 : F, Cl, Br, I, 7 électrons de valence) et les gaz nobles (colonne 18 : He, Ne, Ar, quasiment inertes). Dans le bloc p, le numéro de colonne vaut 12 + le nombre d'électrons p : le chlore (3p⁵) est en colonne 17.

4. Pourquoi les atomes s'associent : duet et octet

Les gaz nobles ne réagissent presque jamais : leur couche externe est saturée, 2 électrons pour l'hélium (duet), 8 pour les autres (octet). Les autres atomes cherchent à leur ressembler.

Former un ion monoatomique. Le sodium (3s¹) perd son électron de valence et devient Na⁺, avec la configuration du néon ; le chlore (3s² 3p⁵) en gagne un et devient Cl⁻, avec celle de l'argon. Règle : colonnes 1, 2, 13 → cations +1, +2, +3 (Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺) ; colonnes 15, 16, 17 → anions −3, −2, −1 (N³⁻, O²⁻, F⁻).

Partager des électrons dans une molécule. Deux atomes mettent en commun un doublet d'électrons : c'est une liaison covalente, ou doublet liant ; le schéma de Lewis représente tous les doublets. Un atome forme autant de liaisons qu'il lui manque d'électrons pour l'octet (le duet pour H) ; ses autres électrons de valence forment des doublets non liants.

Exemple travaillé. L'oxygène a 6 électrons de valence : il lui en manque 2, il forme 2 liaisons. Dans l'eau H₂O, il est lié à deux hydrogènes et garde 2 doublets non liants. L'azote (5 électrons de valence) forme 3 liaisons et garde 1 doublet non liant : NH₃. Le carbone (4 électrons de valence) forme 4 liaisons : CH₄.

À retenir

• Atome = noyau (Z protons, A − Z neutrons) + Z électrons ; la masse est dans le noyau.
• Configuration électronique : remplir 1s, 2s, 2p, 3s, 3p (capacités 2, 2, 6, 2, 6) ; la dernière couche porte les électrons de valence.
• Tableau périodique : période = numéro de la couche externe ; colonne = même nombre d'électrons de valence = même famille.
• Duet et octet : un atome gagne, perd ou partage des électrons pour imiter le gaz noble le plus proche ; nombre de liaisons = électrons manquants pour l'octet, le reste en doublets non liants.

★ Pour aller plus loin

Le noyau minuscule vient d'une expérience célèbre : en 1909, chez Ernest Rutherford, on bombarde une feuille d'or avec des particules alpha ; presque toutes la traversent, quelques-unes rebondissent. En 1911, Rutherford en conclut que masse et charge positive sont concentrées en un point, le noyau.

Chauffé dans une flamme, un sel émet une lumière caractéristique quand ses électrons excités retombent sur leur couche : jaune-orangé pour le sodium, bleu-vert pour le cuivre, rouge vif pour le strontium. Ce sont les couleurs des feux d'artifice.

Sources pour creuser

• Atomes, Theodore Gray (Place des Victoires) ; Les Atomes, Jean Perrin ; Tout est chimie dans notre vie, Mai Thi Nguyen-Kim (HumenSciences).
• Chaînes YouTube ScienceEtonnante (cherche « ScienceEtonnante atome ») et Les Bons Profs (« Les Bons Profs seconde configuration électronique »).
• Le tableau périodique interactif ptable.com (en français) ; lumni.fr (Lycée, Seconde, Physique-chimie) ; mediachimie.org.