Que sont les électrons de valence et comment les trouver ?

Ce que sont les électrons de valence

Les électrons d’un atome sont répartis en couches autour du noyau. Les électrons des couches internes, appelés électrons de cœur, sont fortement retenus et participent rarement aux réactions. Les électrons de la couche la plus externe sont plus éloignés du noyau, moins fortement retenus et les premiers à interagir avec d’autres atomes. Ce sont les électrons de valence.

Le sodium a 11 électrons répartis ainsi : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Les dix premiers forment un cœur stable, de même arrangement que celui du néon, et l’unique électron 3s est le seul électron de valence du sodium. Presque toute la chimie du sodium vient de cet unique électron.

Comment trouver les électrons de valence à partir du numéro de groupe

Pour les éléments des groupes principaux, le tableau périodique vous donne directement la réponse. Les éléments des groupes 1 et 2 ont 1 et 2 électrons de valence. Pour les groupes 13 à 18, soustrayez 10 du numéro du groupe : le groupe 13 en a 3, le groupe 14 en a 4, le groupe 15 en a 5, le groupe 16 en a 6, le groupe 17 en a 7 et le groupe 18 en a 8.

Ainsi, le carbone (groupe 14) a 4 électrons de valence, l’azote (groupe 15) en a 5, l’oxygène (groupe 16) en a 6 et le néon (groupe 18) en a 8. L’hélium est l’exception du groupe 18 : il n’a que 2 électrons de valence, qui remplissent complètement sa première couche.

Comment les trouver à partir de la configuration électronique

Si vous connaissez la configuration électronique, comptez les électrons de la couche de numéro le plus élevé. Pour les éléments des groupes principaux, ce sont les électrons s et p externes.

L’oxygène est 1s² 2s² 2p⁴. Sa couche la plus élevée est la 2, qui contient 2 + 4 = 6 électrons : l’oxygène a donc 6 électrons de valence. Le brome est [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵. Sa couche la plus élevée est la 4, qui contient 2 + 5 = 7 électrons. La sous-couche 3d pleine appartient à une couche interne et n’est pas comptée : le brome a donc 7 électrons de valence, comme tous les autres halogènes.

Électrons de valence et ions

Les atomes ont tendance à gagner, perdre ou partager des électrons jusqu’à atteindre un arrangement stable, généralement huit électrons externes (un octet) comme un gaz noble. Les très petits atomes comme l’hydrogène et le lithium visent plutôt les deux électrons de l’hélium.

Les éléments qui ont peu d’électrons de valence les perdent pour former des ions positifs, et ceux qui en ont beaucoup gagnent des électrons pour former des ions négatifs. Les métaux du groupe 1 forment des ions +1 (Na⁺), ceux du groupe 2 des ions +2 (Mg²⁺) et l’aluminium du groupe 13 des ions +3 (Al³⁺). De l’autre côté, l’azote et le phosphore du groupe 15 forment des ions −3 (N³⁻, P³⁻), l’oxygène et le soufre du groupe 16 des ions −2 (O²⁻, S²⁻) et les halogènes du groupe 17 des ions −1 (Cl⁻). Les gaz nobles ont déjà une couche externe pleine ; leur charge est donc 0. Le carbone et le silicium du groupe 14 partagent généralement leurs 4 électrons de valence dans des liaisons covalentes plutôt que de former des ions simples.

Électrons de valence et liaisons

Les électrons de valence expliquent aussi les liaisons covalentes. Le carbone a 4 électrons de valence et en a besoin de 4 de plus pour compléter un octet ; il forme donc généralement 4 liaisons, comme dans le méthane (CH₄). L’azote, avec 5, forme 3 liaisons dans l’ammoniac (NH₃), et l’oxygène, avec 6, forme 2 liaisons dans l’eau (H₂O).

Les structures de Lewis représentent les électrons de valence par des points autour du symbole d’un élément. L’oxygène est dessiné avec 6 points et le chlore avec 7, ce qui permet de voir facilement combien d’électrons il manque encore à chaque atome.

Les métaux de transition : un cas particulier

Pour les métaux de transition, la règle est moins simple, car les électrons de la sous-couche d située juste sous la couche externe peuvent aussi participer aux liaisons. Sur ce site, le nombre d’électrons de valence indiqué pour un métal de transition est le nombre d’électrons de sa sous-couche s externe. Le fer, [Ar] 3d⁶ 4s², est indiqué avec 2 électrons de valence.

Gardez à l’esprit que les électrons d établissent aussi des liaisons. Le fer forme couramment Fe²⁺ et Fe³⁺ : il perd d’abord ses deux électrons 4s, puis un électron 3d pour devenir Fe³⁺. C’est pourquoi beaucoup de métaux de transition ont plus d’une charge courante.