\chapter{Le cortège électronique}

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\section{Introduction}
\begin{exointro}{D'après lycée Français, Londres}
Donner le numéro atomique et la place dans la classification
périodique de l'atome dont la configuration électronique est
la suivante :
$$\rm 1s^22s^22p^63s^23p^4$$
\vspace*{-3em}
\end{exointro}

Le chapitre précédent avait permis d'introduire les notions de numéro
atomique et de nombre de nucléons. Ici, nous voyons comment le nuage
électronique est structuré en couches autour du noyau.


\section{Définitions}


\subsection{Les sous-couches électroniques}
Le nuage électronique entourant un atome ou un ion est structuré en couches et en sous-couches dans laquelle se répartissent les électrons. Elles
portent les noms suivant:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p. 

Les sous-couches s ne peuvent contenir que deux électrons au
maximum. Les sous-couches p peuvent en contenir six au maximum.


\begin{Remarque}
  les sous-couches sont également appelées \og orbitales \fg.
\end{Remarque}


\begin{defin}
  La configuration électronique d'un atome ou d'un ion est spécifiée par le nombre d'électrons que contient chacune des couches et sous-couches électroniques.
\end{defin}

Pour donner la \index{configuration électronique}configuration
électronique d'un atome ou d'un ion, on indique le nombre d'électrons dans chaque sous-couche en exposant.


\begin{Exemple}
  dans l'exercice-type, la sous-couche 2s contient 2 électrons, et la 
  sous-couche 3p quatre électrons. 
\end{Exemple}

\subsection{Détermination de la configuration électronique d'un atome}


Pour connaître la \index{configuration électronique}configuration électronique 
d'un atome ou d'un ion, on commence par évaluer le nombre d'électrons 
qu'il faut placer dans les couches. Ce nombre vaut~$Z$ dans le cas 
d'un atome neutre, et peut être plus grand ou plus petit que~$Z$ selon 
que l'on a affaire à un \index{anion}anion ou à un 
\index{cation}cation. Une fois que ce nombre est connu, on remplit les 
sous-couches de la manière suivante (seuls les cas où $Z<19$ sont au 
programme) : 
\begin{questions}
\item On remplit les sous-couches dans l'ordre indiqué au paragraphe
  précédent. On remplit complètement une sous-couche avant d'en
  changer.
\item On respecte le nombre maximal d'électrons par sous-couche (2
  pour s et 6 pour p).
\item On arrête le processus quand le nombre total d'électrons est
   atteint.
\end{questions}

\begin{Exemple}
  on se propose de déterminer la configuration électronique de l'atome
  d'azote ($\text{Z}=7$). Son nuage électronique possède 7~électrons.

  Les sous-couches à remplir sont: 

  1s, 2s, 2p, 3s, etc. 
  
  Nous commençons par la couche 1s: elle peut contenir \textcolor{red}{deux} électrons. Nous 
  indiquons donc: 
  \[\rm 1s^{\textcolor{DR}{2}}\]
  
  Où sont les cinq autres électrons de l'atome d'azote ? 
  
  La couche suivante, 2s, peut également contenir \textcolor{green}{deux} électrons. Nous 
  indiquons donc: 
  \[\rm 1s^{\textcolor{DR}{2}}2s^{\textcolor{DG}{2}}\]
  
  Nous savons donc où se trouvent 4~électrons sur les 7 que contient le 
  nuage électronique. Il nous reste donc \textcolor{blue}{trois}
  électrons à répartir. La sous-couche suivante est la sous-couche 
  2p. Elle peut contenir jusqu'à 6 électrons, donc les trois restant 
  vont tous dans cette sous-couche. Nous indiquons donc: 
  \[\rm 1s^{\textcolor{DR}{2}}2s^{\textcolor{DG}{2}}2p^{\textcolor{DB}{3}}\]
  
  C'est la configuration électronique de l'atome d'azote.
\end{Exemple}
\enlargethispage*{\baselineskip}

De la même manière nous pouvons déterminer la configuration
électronique de tout atome ayant $Z\leqslant 18$. Ainsi, celle du néon ($Z=10$) est:
\[\rm 1s^22s^22p^6\]

et celle du sodium  ($Z=11$) est:
\[\rm 1s^22s^22p^63s^1.\]

Cela commence à être long ! On peut condenser cette écriture en
remarquant que cette configuration est identique à celle du néon, à
laquelle on ajoute 3s$^1$. On peut ainsi la noter:
\[\rm (Ne)3s^1\]

de manière condensée. Lorsqu'on souhaite décrire explicitement cette structure, il suffit de remplacer la partie $\rm(Ne)$ par la
configuration électronique du néon.

\subsection{Le tableau périodique}

\label{sec:la-class-peri}
\index{classification périodique}\index{Mendeleïev}
La table ou tableau périodique, également appelée \emph{tableau de Mendeleïev}, est liée à la façon dont on remplit les couches.

\emph{Le tableau complet se trouve en annexe en fin d'ouvrage, page \pageref{335_tableperiodique}}.

Pour les trois premières lignes du tableau, chaque ligne est associée
à une couche. Les lignes sont aussi appelées des
\index{periode@période}périodes.

Dans chaque ligne les éléments sont rangés par numéro atomique
croissant. Lorsque les sous-couches changent de numéro, on va à la
ligne et on décale éventuellement afin que les éléments sur une même colonne aient des propriétés chimiques similaires.


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{tikzpicture}[scale=0.8,every node/.style={scale=0.8}]
  \newcommand{\CommonElementTextFormat}[5]
  {
    \begin{minipage}{1.43cm}
      \centering 
      \begin{tabular}[t]{@{}r@{}}
      \small#5\\\color{DR}\small#1
      \end{tabular}
      \begin{tabular}[t]{@{}l@{}}
      \\[-4pt]
      \fontfamily{FF-DIN}\fontseries{eb}\selectfont\boldmath\large#3
      \end{tabular}
      \linebreak
      {\fontfamily{DejaVuSans-TLF}\fontseries{m}\fontsize{7}{7}\selectfont#4}
      \linebreak 
      {\fontfamily{DejaVuSans-TLF}\fontseries{b}\fontsize{7}{7}\selectfont\color{DB!75!black}#2}
    \end{minipage}
  }
  
  \newcommand{\NaturalElementTextFormat}[5]
  {
    \CommonElementTextFormat{#1}{#2}{{#3}}{#4}{#5}
  }

%% Fill Color Styles 
% col 15 : (2, 44, 100, 0)
% col 16 : (4, 18, 42, 0).
 \tikzstyle{ElementFill} = []
 \tikzstyle{AlkaliMetalFill} = [fill=LG!80!DG]
 \tikzstyle{AlkalineEarthMetalFill} = [fill=LB!80!DB]
 % 
 \definecolor{bore}{cmyk}{0.15,0.12,0.00,0.31}
 \tikzstyle{BoreFill} = [fill=bore!75!white]
 %
 \definecolor{azote}{cmyk}{0.00,0.28,0.01,0.25}
 \tikzstyle{AzoteFill} = [fill=azote]
 %
 \definecolor{oxygene}{cmyk}{0.02,0.44,1.00,0.0}
 \tikzstyle{OxygeneFill} = [fill=oxygene]
 %
 \definecolor{halogen}{cmyk}{0.04,0.18,0.42,0.00}
 \tikzstyle{HalogenFill} = [fill=halogen]
 %
 \tikzstyle{NobleGasFill} = [fill=LY!80!DY]

 

%% Element Styles 
  \tikzstyle{Element} = [draw=black, ElementFill, 
    minimum width=1.79cm, minimum height=1.79cm, node distance=1.79cm]
%    minimum width=1.9cm, minimum height=1.9cm, node distance=1.9cm]
  \tikzstyle{AlkaliMetal} = [Element, AlkaliMetalFill]
  \tikzstyle{AlkalineEarthMetal} = [Element, AlkalineEarthMetalFill]
  \tikzstyle{Azote} = [Element, AzoteFill]
  \tikzstyle{Oxygene} = [Element, OxygeneFill]
  \tikzstyle{Halogen} = [Element, HalogenFill]
  \tikzstyle{NobleGas} = [Element, NobleGasFill]
  \tikzstyle{Bore} = [Element, BoreFill]

  \node[name=H, Bore] {%
  \NaturalElementTextFormat{1}{\textcolor{red}{1}s$^1$}{H}{Hydrog\`ene}{1}}; 
  \node[name=Li, below of=H, AlkaliMetal] {\NaturalElementTextFormat{3}{1s$^2$\textcolor{red}2s$^1$}{Li}{Lithium}{7}}; 
  \node[name=Na, below of=Li, AlkaliMetal] {\NaturalElementTextFormat{11}{(Ne)\textcolor{red}3s$^1$}{Na}{Sodium}{23}}; 

  \node[name=Be, right of=Li, AlkalineEarthMetal] {\NaturalElementTextFormat{4}{1s$^2$\textcolor{red}2s$^2$}{Be}{B\'eryllium}{9}}; 
  \node[name=Mg, below of=Be, AlkalineEarthMetal] {\NaturalElementTextFormat{12}{(Ne)\textcolor{red}3s$^2$}{Mg}{Magn\'esium}{24}}; 

  \node[name=B, right of=Be, Bore] {\NaturalElementTextFormat{5}{1s$^2$2s$^2$\textcolor{red}2p$^1$}{B}{Bore}{11}}; 
  \node[name=Al, below of=B, Bore] {\NaturalElementTextFormat{13}{(Ne)3s$^2$\textcolor{red}3p$^1$}{Al}{Aluminium}{27}}; 

  \node[name=C, right of=B, Bore] {\NaturalElementTextFormat{6}{1s$^2$2s$^2$\textcolor{red}2p$^2$}{C}{Carbone}{12}}; 
  \node[name=Si, below of=C, Bore] {\NaturalElementTextFormat{14}{(Ne)3s$^2$\textcolor{red}3p$^2$}{Si}{Silicium}{28}}; 

  \node[name=N, right of=C, Azote] {\NaturalElementTextFormat{7}{1s$^2$2s$^2$\textcolor{red}2p$^3$}{N}{Azote}{14}}; 
  \node[name=P, below of=N, Azote] {\NaturalElementTextFormat{15}{(Ne)3s$^2$\textcolor{red}3p$^3$}{P}{Phosphore}{31}}; 

  \node[name=O, right of=N, Oxygene] {\NaturalElementTextFormat{8}{1s$^2$2s$^2$\textcolor{red}2p$^4$}{O}{Oxyg\`ene}{16}}; 
  \node[name=S, below of=O, Oxygene] {\NaturalElementTextFormat{16}{(Ne)3s$^2$\textcolor{red}3p$^4$}{S}{Soufre}{32}}; 

  \node[name=F, right of=O, Halogen] {\NaturalElementTextFormat{9}{1s$^2$2s$^2$\textcolor{red}2p$^5$}{F}{Fluor}{19}}; 
  \node[name=Cl, below of=F, Halogen] {\NaturalElementTextFormat{17}{(Ne)3s$^2$\textcolor{red}3p$^5$}{Cl}{Chlore}{35}}; 

  \node[name=Ne, right of=F, NobleGas] {\NaturalElementTextFormat{10}{1s$^2$2s$^2$\textcolor{red}2p$^6$}{Ne}{N\'eon}{20}}; 
  \node[name=He, above of=Ne, NobleGas] {\NaturalElementTextFormat{2}{\textcolor{red}1s$^2$}{He}{H\'elium}{4}}; 
  \node[name=Ar, below of=Ne, NobleGas] {\NaturalElementTextFormat{18}{(Ne)3s$^2$\textcolor{red}3p$^6$}{Ar}{Argon}{40}}; 

  \node[name=term, below of=Si, Element,node distance=2.5cm] {%
  \NaturalElementTextFormat{Z}{1s$^2$}{X}{nom}{A}}; 

%% Les traits ci-dessous ont ete determines a la main et tout et a refaire si on change la taille des cases.... 
\begin{scope}[every node/.style={scale=1}]
  \draw (4.9,-5.5) -- (3.7,-5.5) node[anchor=east]{Nombre de nucléons}; 
  \draw (5.8,-5.8) -- (6.8,-5.8) node[anchor=west]{Symbole de l'élément}; 
  \draw (4.9,-6) -- (3.7,-6) node[anchor=east]{Numéro atomique}; 
  %\draw (5.7,-6.27) -- (6.8,-6.27) node[anchor=west]{\footnotesize Nom}; 
  \draw (5.8,-6.72) -- (6.8,-6.72) node[anchor=west]{configuration électronique}; 
\end{scope}

  \path [AlkaliMetalFill] (3,0.75) rectangle (4,1)  (4,0.875) node [anchor=west]{Alcalins}; 
  %\path [AlkalineEarthMetalFill] (3,0.25) rectangle (4,0.5)  (4,0.375) node [anchor=west]{Alcalino-terreux}; 

  \path [NobleGasFill] (7.5,0.75) rectangle (8.5,1)  (8.5,0.875) node [anchor=west]{Gaz nobles}; 
  \path [HalogenFill] (7.5,0.25) rectangle (8.5,0.5)  (8.5,0.375) node [anchor=west]{Halog\`enes}; 

\end{tikzpicture}
\figcaption{Classification périodique des éléments jusqu'à $Z=18$. On représente en rouge la dernière
sous-couche remplie. On voit que la première ligne correspond aux numéros
1, la seconde ligne aux numéros~2, etc.}
%\end{center}
%}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

\NathanLiveVideo[\PictoVideo\ Retrouvez la classification périodique des éléments avec \PictoNathanLive]{classification périodique des éléments}{}

\subsection{Quelques familles chimiques}

\begin{itemize}
\item{La première colonne, qui contient par exemple l'hydrogène et le
    sodium, est la colonne des %
    {\em \index{alcalins}alcalins} (à l'exception de l'hydrogène, qui
    n'est pas formellement un alcalin). Ces éléments n'ont qu'un
    électron sur leur dernière sous-couche, et ils le perdent facilement
    pour donner les cations H$^+$, Na$^+$, etc.}
	
\item{La dernière colonne, qui contient l'hélium, le néon, l'argon,
    etc.  est la colonne des %
    {\em \index{gaz!rare}gaz rares} ou %
    {\em \index{gaz!noble}gaz nobles}. Les éléments de cette colonne
    sont chimiquement inertes (ils réagissent très peu chimiquement).}
	
    \item{Les éléments de l'avant-dernière colonne sont les {\em
          \index{halogenes@halogènes}halogènes}.  Il leur manque un
        électron sur leur dernière sous-couche, ils peuvent facilement
        l'acquérir pour se retrouver dans la configuration
        électronique du gaz noble immédiatement suivant. Ils deviennent
        ainsi des anions portant une charge élémentaire. Les ions
        F$^-$, Cl$^-$, Br$^-$ en sont des exemples.}
\end{itemize}


\subsection{Comment trouver une position dans le tableau périodique ?}

Nous avons vu au paragraphe précédent que le numéro des dernières
sous-couches (c.-à-d. les plus à droite) de la configuration
électronique nous donnent le numéro de ligne (ou la période) dans le
tableau. Comment à présent retrouver la colonne? Il suffit de compter
le nombre d'électrons se trouvant sur les sous-couches de même numéro:
c'est le numéro de colonne (que l'on indique souvent par un chiffre
romain).

\begin{Remarque}
  Les électrons remplissant les sous-couches de même numéro que la
  ligne sont appelés les électrons de valence. Le nombre d'électron de
  valence est donc égal au numéro de la colonne où se trouve
  l'atome. Nous reverrons cette notion au chapitre suivant.
\end{Remarque}

\begin{Exemple}
  Considérons l'atome de configuration électronique $\rm
  1s^22s^22p^4$. Sur quelle ligne se trouve-t-il ? Le numéro de
  sous-couche le plus à droite est 2:
  $$\rm 
  1s^22s^2\textcolor{DR}{2}p^4$$
  Il se trouve donc sur la deuxième ligne. Quel est son numéro de
  colonne~?
  On compte les électrons se trouvant sur les sous-couches commençant
  par 2:
  $$\rm 
  1s^2\textcolor{DR}2s^2\textcolor{DR}{2}p^4$$
  Nous en avons $2+4=6$. Il se trouve donc sur la colonne~VI.
\end{Exemple}


\newpage

\begin{solintro}
Le nombre total d'électrons dans cet atome est $2+2+6+2+4=16$. Le
numéro atomique de cet atome est donc : $Z=16$, puisque le nombre
d'électrons est égal au nombre de protons, l'atome étant électriquement
neutre. Le numéro de la sous-couche la plus à droite est 3 (3p), donc
il se trouve sur la troisième ligne.
Les sous-couches dont le numéro est 3 sont 3s et 3p. Elles contiennent
respectivement deux électrons et quatre électrons. L'atome se trouve donc
dans la colonne $2+4=6$.

L'atome se trouve sur la troisième ligne, en colonne~VI. En nous
aidant du tableau périodique du cours, nous voyons qu'il s'agit du silicium.
\end{solintro}