1.9B : Electrons de valence et de noyau
Les électrons d’un atome sont généralement divisés en deux catégories : les électrons de valence et les électrons de noyau. Les électrons de valence occupent la coquille la plus externe ou le niveau d’énergie le plus élevé d’un atome tandis que les électrons de noyau sont ceux qui occupent la coquille la plus interne ou les niveaux d’énergie les plus bas. Cette différence influence grandement le rôle des deux types d’électrons dans une réaction chimique. En général, les électrons de valence peuvent participer à la formation de liaisons chimiques, mais pas les électrons de cœur. Bien que les électrons de cœur ne participent pas à la formation de liaisons, ils influencent la réactivité chimique d’un atome.
La configuration électronique d’un atome d’oxygène est
qui peut être court-circuitée
\2s^2 2p^4 \label{2}\]
où le \(\) représente la configuration de l’hélium (\(1s^2\)). De même, la configuration du calcium avec 20 électrons peut être écrite
\4s^2 \label{3}\]
où le \(\) représente la configuration de l’argon (\(1s^22s^22p^6 3s^2 3p^6\)). Les configurations électroniques qui sont les mêmes que celles des gaz nobles sont très stables puisqu’elles ont un octuor complet (sauf l’hélium avec une orbitale 1s complète).
Les électrons \(1s\) de l’oxygène ne participent pas à la liaison (c’est-à-dire à la chimie) et sont appelés électrons de cœur. Les électrons de valence (c’est-à-dire la partie \(2s^22p^4\)) sont des électrons de valence, qui participent effectivement à la création et à la rupture des liaisons. De même, dans le calcium (équation \(\ref{3}\)), les électrons de la coquille fermée de type argon sont les électrons de noyau et les deux électrons de l’orbitale 4s sont des électrons de valence.
Exemple \(\PageIndex{1}\) : Le cobalt
Quels sont les électrons de cœur et de valence du cobalt ?
Solution
Commencez par écrire la configuration électronique du cobalt avec 27 électrons :
Cependant, l’argon a la structure électronique \(1s^22s^22p^23s^23p^6\), nous pouvons donc réécrire la configuration comme
\4s^23d^7 \nonumber\]
Les deux électrons de l’orbitale \(4s\) et les sept électrons de l’orbitale \(3d\) sont les électrons de valence : tous les autres sont des électrons de cœur.
La périodicité des électrons de valence est visible dans le tableau périodique. Fondamentalement, la périodicité ne s’applique qu’aux éléments du groupe principal, alors que dans les métaux de transition, les règles sont complexes.
Les électrons de cœur restent les mêmes dans l’augmentation des numéros de groupe des éléments du groupe principal. En revanche, les électrons de valence augmentent d’une unité de gauche à droite d’une période principale, et restent les mêmes en bas de la colonne d’un groupe principal. Cette évolution donne un changement périodique dans la propriété d’une période, et une propriété chimique similaire d’un groupe, qui est appelée tendance périodique. Le nombre d’électrons de valence dans une période principale est le même que son numéro de groupe. Le tableau ci-dessous montre clairement cette règle.
En construction
Figure 1 : 1A + 2A sont des métaux. 3A à 8A sont des non-métaux.
Cependant, cette périodicité ne peut pas être appliquée au groupe de transition, qui est plus compliqué que celui du groupe principal. Bien que les électrons les plus externes puissent être facilement déterminés, les électrons de valence apparents considérés dans la réactivité chimique sont complexes et fluctuants. Les électrons qui entrent dans le sous-niveau d peuvent jouer le rôle d’électrons de valence ou d’électrons de blindage. Il n’y a donc pas toujours un certain nombre d’électrons de valence apparents. Le nombre d’électrons de valence apparents pour la première période des métaux de transition est indiqué dans le tableau ci-dessous.
En construction
Figure 2 : électrons de valence pour les métaux de transition.
Relation avec la réactivité chimique
La réactivité chimique d’un atome est principalement déterminée par les électrons de valence. Les atomes qui ont une coquille complète d’électrons de valence ont tendance à être chimiquement inertes. Les atomes ayant un ou deux électrons de valence sont très réactifs. Ce phénomène s’explique par la règle de Hund, selon laquelle les orbitales vides, à moitié pleines ou pleines sont plus stables que celles qui ne le sont pas. Par exemple, Ne est chimiquement inerte car il possède deux électrons de valence qui remplissent sa coquille la plus externe, ce qui le rend stable par rapport à des atomes comme Al, qui possède trois électrons de valence, mais dont les électrons de valence ne remplissent pas sa coquille la plus externe.
Bien que les électrons du noyau ne participent pas à la liaison chimique, ils jouent un rôle dans la détermination de la réactivité chimique d’un atome. Cette influence est généralement due à l’effet qu’il exerce sur les électrons de valence. Cet effet peut être observé à partir du changement progressif de la réactivité chimique dans un groupe. Plus on descend dans un groupe, plus les coquilles sont occupées par des électrons, ce qui augmente la taille de l’atome. Plus un atome possède de coquilles d’électrons, plus la taille de l’atome est importante, et plus les électrons de valence sont éloignés du noyau. Ainsi, les électrons de valence connaîtront une charge nucléaire effective moindre et seront facilement perdus. Par exemple, \(\ce{Na}\) et \(\ce{K}\) peuvent tous deux réagir avec l’eau, mais K a une réaction plus radicale parce qu’il a plus de coquilles d’électrons de noyau, ce qui rend l’électron de valence dans son orbitale la plus externe beaucoup plus facile à perdre que l’électron de valence de Na.