Comment déterminer le nombre d’électrons de valence

En chimie, les électrons de valence sont les électrons situés sur la dernière couche, externe donc, d'un atome. La connaissance des électrons de valence d'un atome permet de mieux comprendre ou de mieux anticiper les réactions chimiques, car ce sont eux qui interviennent dans les liaisons chimiques. En fait, ce n'est pas très compliqué, il suffit de savoir lire un tableau périodique des éléments.

Partie 1

Partie 1 sur 2:

Trouver les électrons de valence à partir du tableau périodique

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Les éléments non transitionnels

Récupérez un tableau périodique des éléments. C'est un tableau avec des carrés de couleur recensant tous les éléments connus à ce jour. Outre les noms des éléments, ce tableau donne bien d'autres informations, dont certaines permettent de connaitre le nombre d'électrons de valence d'un atome donné. On trouve ce tableau dans tous les livres de chimie, mais il en existe aussi sur Internet, et certaines sont même interactives comme c'est le cas ici ^{[1]XSource de recherche}.
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Numérotez les colonnes du tableau périodique. Numérotez chacune d'elle de 1 à 18. Sur une table des éléments, chaque colonne représente alors une famille d'éléments, lesquels ont tous le même nombre d'électrons de valence. Si les numéros des colonnes ne sont pas marqués, vous pouvez le faire en commençant à gauche avec le premier groupe et en finissant à droite avec le dix-huitième. Ces colonnes sont en fait des « groupes ^{[2]XSource de recherche} ».
- Ainsi, si vous travaillez avec un tableau non numéroté, vous inscrirez 1 au-dessus de l'hydrogène (H), 2 au-dessus du béryllium (Be), etc. Arrivé à l'hélium (He), vous inscrirez 18.
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Trouvez votre élément dans le tableau. Vous devez repérer, dans le tableau, où se trouve l'élément dont vous cherchez à connaitre les électrons de valence. Vous pouvez chercher le symbole, le numéro atomique ou toute autre information dont vous disposez.
- Ainsi, nous allons chercher les électrons de valence d'un élément très répandu sur terre : le carbone (C). Cet élément a un nombre atomique de 6 et est situé en haut du groupe 14. Dans l'étape suivante, nous déterminerons ses électrons de valence.
- Dans cette sous-partie, nous ne tiendrons pas compte des métaux de transition, qui sont tous groupés entre les colonnes 3 et 12 du tableau. Ces éléments différant des autres éléments, nous les aborderons dans la sous-partie suivante.
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Le nombre du groupe permet de connaitre le nombre d'électrons de valence. En effet, il est possible de déterminer le nombre d'électrons de valence d'un atome en sachant à quel groupe il appartient. Le nombre d'électrons de valence d'un atome est le chiffre des unités du nombre du groupe. Autrement dit :
- colonne 1 : 1 électron de valence,
- colonne 2 : 2 électrons de valence,
- colonne 13 : 3 électrons de valence
- colonne 14 : 4 électrons de valence,
- colonne 15 : 5 électrons de valence,
- colonne 16 : 6 électrons de valence,
- colonne 17 : 7 électrons de valence,
- colonne 18 : 8 électrons de valence, sauf pour l'hélium qui lui n'en possède que 2.
- Ainsi, le carbone étant dans le groupe 14, on peut dès lors affirmer que l'atome de carbone a 4 électrons de valence.
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Les métaux de transition

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Trouvez un élément appartenant aux groupes 3 à 12. Comme cela a été mentionné précédemment, les éléments appartenant à ces groupes sont appelés « métaux de transition », car ils se comportent différemment des autres éléments, dès lors qu'on parle d'électrons de valence. Nous tenterons d'expliquer partiellement pourquoi il est souvent impossible de déterminer facilement le nombre d'électrons de valence de ces atomes particuliers.
- Nous prendrons comme exemple le tantale (Ta), élément portant le numéro 73. Dans les étapes suivantes, nous déterminerons ses électrons de valence (enfin, on essaiera !)
- Les lanthanides et les actinides (aussi appelés « terres rares ») sont classés parmi les métaux de transition. Ces éléments apparaissent sur deux lignes en dessous du tableau général : le lanthane inaugure la série des lanthanides sur la première ligne, tandis que celle des actinides sur la seconde ligne débute avec l'actinium. Ces éléments appartiennent tous au groupe 3 du tableau périodique.
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Les métaux de transition n'ont pas d'électrons de valence « classiques ». Pour comprendre pourquoi il en est ainsi, il faut quelques explications sur le comportement des électrons de ces éléments-là, en particulier de ceux situés sur la dernière couche. Si vous voulez en savoir plus, lisez ce qui suit, sinon passez à l'étape suivante ^{[3]XSource de recherche}.
- Quand des électrons viennent se greffer sur un atome, ils se répartissent dans certaines zones appelées « orbitales». Ce sont, autour de chaque noyau, des zones d'agrégation des électrons. Les électrons de valence sont, dans la plupart des cas, ceux qui se trouvent sur la sous-couche externe. On compte ceux déjà en place, plus ceux qui sont venus s'agglomérer après réaction.
- Pour des raisons trop longues pour être expliquées ici, sachez que lorsque des électrons rejoignent la sous-couche d, la plus externe, d'un métal de transition (voyez plus loin), les premiers électrons s'installent sur cette sous-couche et peuvent être considérés comme des électrons de valence classiques, mais rapidement, ils ne se comportent plus ainsi. En parallèle, des électrons se situant sur d'autres couches électroniques peuvent se comporter comme des électrons de valence. Vous comprenez bien qu'un atome peut avoir un nombre variable d'électrons de valence selon la réaction dans laquelle il est impliqué.
- Pour plus d'explications, même si elle est en anglais, consultez l'excellente page sur les électrons de valence du « Clackamas Community College ^{[4]XSource de recherche} ».
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Déterminez le nombre d'électrons de valence à partir du numéro du groupe. Ce dernier va en effet vous permettre de trouver le nombre d'électrons de valence. Hélas ! Cela ne marche pas pour les métaux de transition, dont le nombre d'électrons de valence s'inscrit dans une fourchette, à savoir ^{[5]XSource de recherche} :
- éléments de la colonne 3 : 3 électrons de valence,
- éléments de la colonne 4 : entre 2 et 4 électrons de valence,
- éléments de la colonne 5 : entre 2 et 5 électrons de valence,
- éléments de la colonne 6 : entre 2 et 6 électrons de valence,
- éléments de la colonne 7 : entre 2 et 7 électrons de valence,
- éléments de la colonne 8 : 2 ou 3 électrons de valence,
- éléments de la colonne 9 : 2 ou 3 électrons de valence,
- éléments de la colonne 10 : 2 ou 3 électrons de valence,
- éléments de la colonne 11 : 1 ou 2 électrons de valence,
- éléments de la colonne 12 : 2 électrons de valence.
- Reprenons l'exemple du tantale. Il appartient au groupe 5 : on peut donc affirmer qu'il a, selon les cas, entre deux et cinq électrons de valence.
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Partie 2

Partie 2 sur 2:

Trouver les électrons de valence à partir de la configuration électronique

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Apprenez à décrypter une configuration électronique. Les électrons de valence d'un élément peuvent être trouvés à partir de la configuration électronique. Les termes font peur, mais cette dernière n'est qu'une façon pratique de représenter les orbitales d'un atome avec des lettres et des chiffres. Quand vous aurez l'habitude, vous verrez que c'est somme toute simple.
- Jetons un coup d'œil à la configuration électronique de l'élément sodium (Na) :
  1s²2s²2p⁶3s¹
- La configuration électronique orbitale se présente sous la forme d'une série de chiffres (ou de nombres) et de lettres comme suit :
  (nombre)(lettre)^{(nombre en exposant)}(nombre)(lettre)^{(nombre en exposant)}...
- La partie (nombre)(lettre) correspond au type de l'orbitale, et la partie ^{(nombre en exposant)} précise le nombre d'électrons sur l'orbitale qui précède. Simple, non ?
- Ainsi, on peut dire que le sodium possède 2 électrons dans l'orbitale 1s, 2 électrons dans l'orbitale 2s, 6 électrons dans l'orbitale 2p et 1 électron dans l'orbitale 3s. On a un total de 11 électrons, le sodium ayant un numéro atomique de 11 : le compte est bon !
- Souvenez-vous que chaque sous-couche a une capacité particulière d'électrons.
  - s : une capacité de 2 électrons
  - p : une capacité de 6 électrons
  - d : une capacité de 10 électrons
  - f : une capacité de 14 électrons
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Établissez la configuration électronique de votre élément. Une fois cette configuration établie, il est facile de trouver le nombre d'électrons de valence (sauf, bien sûr, pour les métaux de transition). Si l'on vous donne dans un exercice la configuration, vous pouvez passer à l'étape suivante, sinon lisez ce qui suit :
- voici la structure électronique de l'ununoctium (Uuo), l'élément 118 :
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶
- À partir de cet exemple qui concernait un élément avec un grand numéro atomique, vous devez être à présent capable de construire la configuration électronique de n'importe quel élément en respectant les principes. Il suffit de placer tous les électrons de votre élément dans les bonnes orbitales. C'est plus facile qu'il n'y parait. Ainsi, si vous voulez donner la configuration électronique orbitale du chlore (Cl) de numéro atomique 17, soit 17 électrons, vous devez l'écrire ainsi :
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁵
- Les électrons s'additionnent pour donner 17 : 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17. Comme vous le voyez, il suffit de changer le nombre d'électrons dans la dernière orbitale. Les autres orbitales, qui sont pleines, ne changent pas.
- Pour en savoir plus sur la configuration des atomes, lisez cet article.
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Ventilez les électrons dans leurs orbitales grâce à la règle de l'octet. Au cours d'une réaction chimique, des électrons sont, par exemple, ajoutés à un atome en s'insérant dans des zones bien précises, les orbitales, selon un ordre déterminé plus haut. S'il y a création d'un nouvel atome, les deux premiers électrons vont sur l'orbitale 1s, les deux suivants, sur l'orbitale 2s, les six suivants, sur l'orbitale 2p, etc. Avec les éléments non transitionnels, les orbitales forment des « sous-couches » autour du noyau, chacune étant plus éloignée du noyau que la précédente. Sauf la première sous-couche qui ne peut contenir que deux électrons, toutes les autres peuvent renfermer huit électrons (sauf, répétons-le, dans le cas des métaux de transition). C'est la règle de l'octet.
- Ainsi, prenons le cas du bore (B). Son nombre atomique étant 5, on sait donc que 5 électrons tournent autour du noyau selon la répartition suivante : 1s²2s²2p¹. Sachant que la première couche ne peut contenir que deux électrons, nous pouvons en déduire que le bore a deux couches : la première avec 2 électrons (orbitale 1s) et une seconde avec 3 électrons (2 sur l'orbitale 2s et 1 sur l'orbitale 2p).
- Prenons un autre exemple : le chlore. Cet élément a trois couches électroniques : une première avec une seule orbitale (1s) comportant deux électrons, une deuxième couche avec deux orbitales (2s et 2p) ayant respectivement 2 et 6 électrons, et enfin une troisième couche avec deux orbitales (3s et 3p) ayant respectivement 2 et 5 électrons, la dernière couche étant incomplète.
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Trouvez le nombre d'électrons sur la couche externe. Quand on connait le nombre de couches électroniques d'un élément, il est facile de trouver le nombre d'électrons de valence : c'est le nombre d'électrons qui gravitent sur la dernière couche. Si cette dernière est pleine (soit deux électrons pour une seule couche ou huit pour toutes les autres), l'élément est dit « inerte » (ce sont les « gaz nobles »), ce qui signifie que les éléments qui présentent cette structure sont difficiles à casser lors d'une réaction chimique. Redisons-le, les métaux de transition ont des comportements différents.
- Ainsi, avec le bore, sachant qu'il y a trois électrons sur la seconde couche, on peut donc dire que le bore a trois électrons de valence.
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Servez-vous des lignes du tableau périodique. Les rangées du tableau périodique sont appelées « périodes ». De haut en bas du tableau, les éléments chimiques d'une même période ont le même nombre de couches électroniques. Cette disposition du tableau vous permet de déterminer rapidement le nombre d'électrons de valence d'un élément. Comptez en partant de la gauche : premier élément, un seul électron, deuxième élément, deux électrons, etc. Il ne faut pas tenir compte des métaux de transition.
- Ainsi, le sélénium a quatre couches électroniques parce qu'il appartient à la quatrième période. Comme c'est le sixième élément de la ligne, à partir de la gauche et compte non tenu des métaux de transition, la quatrième et dernière couche comporte six électrons. Par conséquent, le sélénium a six électrons de valence.
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Conseils

Certaines configurations électroniques peuvent être écrites en référence aux gaz nobles (groupe 18). L'élément étudié est défini par rapport au gaz noble qui le précède dans le tableau, on y ajoute simplement une orbitale. Ainsi, la configuration électronique du sodium (11 de numéro atomique) peut être présentée ainsi : [Ne]3s¹. Elle est assez semblable à celle du néon (10 de numéro atomique), sauf qu'il y a un électron de plus et qu'il se situe, tout seul, sur une nouvelle couche, la 3s ^{[6]XSource de recherche}.
Les atomes des métaux de transition peuvent présenter, au niveau d'une sous-couche, des segments incomplets. Déterminer alors le nombre d'électrons de valence des métaux de transition nécessite d'en passer par certains principes de la théorie quantique, lesquels dépassent l'objet de cet article.
Le tableau périodique n'est pas tout à fait le même d'un pays à l'autre. Soyez vigilant si vous voyagez ou si vous utilisez des tableaux étrangers.