3) Classification des éléments

Lycée Denis-de-Rougemont Structure et classification des éléments chimiques
DF Chimie Corrigé des exercices
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Energie d'ionisation et couches électroniques
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a) Rechercher dans le "Handbook" ou le "Formulaire et Tables" les valeurs des énergies
d'ionisation, pour le premier électron arraché, des 11 premiers éléments du tableau
périodique.
b) Faites un graphe E = f(Z).
Réponse :
Elément
Nom
Energie de la première
ionisation (eV)
H
Hydrogène
13,598
He
Hélium
24,587
Li
Lithium
5,392
Be
Béryllium
9,322
B
Bore
8,298
C
Carbone
11,260
N
Azote
14,534
O
Oxygène
13,618
F
Fluor
17,422
Ne
Néon
21,564
Na
Sodium
5,139
Energie d'ionisation des 11 premiers éléments
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Numéro atomique Z
Energie d'ionisation
(eV)
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na

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2
Pourquoi l'énergie d'ionisation augmente-t-elle en passant de l'hydrogène à l'hélium ?
Réponse :
Parce que la configuration électronique de l'hélium est beaucoup plus stable que celle de
l'hydrogène. En effet, la couche K est complète pour He. Il est dès lors plus difficile
d'enlever un électron à une couche complète qu'à une couche à moitié remplie de
l'hydrogène.
3
a) Quelle hypothèse peut-on émettre pour expliquer la baisse de l'énergie d'ionisation en
passant de l'hélium au lithium ?
b) Quelles charges nucléaires effectives agissent sur les différents électrons du lithium ?
Réponses :
a) La baisse de l'énergie d'ionisation provient du fait que le troisième électron (le
dernier ajouté lors du remplissage) est sur une nouvelle couche électronique.
L'électron de la couche L est donc beaucoup plus facile à enlever.
b) Les répulsions et attractions sont montrées dans le dessin ci-dessous :
Forces d'attraction
Forces de répulsion
1
2
3
Noyau atomique
Electron
Les électrons n° 1 et 2 sont sur la couche K : ils voient directement le noyau
atomique, composé de 3 protons, donc la charge nucléaire effective est de +3.
L'électron n°3 est sur la couche L : il voit un cœur atomique composé de 3 protons
et de 2 électrons, donc une charge effective de +1.
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A quoi peut-on attribuer l'augmentation plus ou moins régulière de l'énergie d'ionisation du
lithium au néon ?
Réponse :
Plus la couche est remplie, plus elle sera proche de la stabilité, c'est-à-dire le cas avec 8
électrons. Plus la couche est stable, et moins il sera facile d'enlever un électron (ce qui
Forces d'attraction
Forces de répulsion
1
2
3
Noyau atomique
Electron

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diminue la stabilité), d'où augmentation plus ou moins régulière de l'énergie d'ionisation.
Les fluctuations intermédiaires s'expliquent par l'apparition des paires électroniques,
favorisant un peu la stabilité. Mais en règle générale, il y a augmentation lorsqu'on passe
des colonnes de gauche du tableau périodique aux colonnes de droite en restant sur la
même ligne (même période).
5
Comment expliquer la nouvelle chute observée avec le sodium ?
Réponse :
Lorsqu'on passe du néon au sodium, l'électron supplémentaire est placé dans la couche
M (la 3e couche). Les couches K et L sont stables car possèdent respectivement 2 et 8
électrons, mais la couche M est beaucoup moins stable avec un seul électron : il est très
facile à arracher.
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Examiner le graphe ci-dessous et expliquer ce qu'il prouve.
Réponse :
Les énergies d’ionisation successives montrent qu'il est facile d'enlever le premier
électron, puis la difficulté va croissante au fur et à mesure qu'on vide une couche (pour la
simple raison que la charge de l'atome devient de plus en plus positive).
Puis, chaque fois qu'une couche est vidée, on doit arracher des électrons d'une couche
plus proche du noyau, donc avec des forces d'attraction dues aux protons plus grandes,
ce qui explique chaque saut brutal sur le graphe.

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En fait, le graphe nous montre qu'il y a un électron sur une couche (la couche N), puis
8 électrons sur une couche plus proche du noyau atomique (la couche M), encore
8 électrons sur une couche toujours plus proche du noyau (la couche L) et finalement
2 électrons sur la couche la plus proche du noyau (la couche K).
Structure électronique du potassium : K2L8M8N1.
Le nuage électronique des atomes
7
Quels sont les éléments dont la structure électronique est
a) K2L8M3
b) K2L8M8N1
Réponses :
a) Aluminium (Al)
b) Potassium (K)
8
Combien d'électrons la couche N peut-elle contenir ?
Réponse :
La couche N est la 4e couche, donc peut contenir 2n2 = 2.42 électrons, soit un total de 32
électrons.
9
a) Quelle est la structure électronique de l'oxygène ?
b) Quels sont les électrons attirés le plus fortement par le noyau ? Ceux de la couche K ou
ceux de la couche L ?
Réponses :
a) K2L6.
b) Les électrons de la couche K, car ils sont plus proches du noyau positif.
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a) Quelle est la composition du cœur d'un atome de calcium 40 ?
b) Combien d'électrons de valence le calcium possède-t-il ?
Réponses :
a) 20 protons, 20 neutrons et 18 électrons (les couches K2L8M8).
b) 2 électrons (dans la couche N).

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Quelle est la charge du cœur d'un atome de soufre ?
Réponse :
La charge du cœur d'un atome de soufre est +6 e (ou 9,6132.10-19 C).
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En s'aidant du tableau périodique, dessiner avec le modèle de Bohr les atomes suivants :
Be, B, C, O, F. Indiquer pour chaque atome le nombre de protons et de neutrons.
Réponses :
4 protons 5 protons 6 protons 8 protons 9 protons
5 neutrons 6 neutrons 6 neutrons 8 neutrons 10 neutrons
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De quoi dépendent les propriétés chimiques d'un élément ?
Réponse : Elles dépendent du nombre d'électrons de la dernière couche.
14
Donner la structure électronique des atomes dont les numéros atomiques valent
respectivement :
a) Z = 9
b) Z = 17
Que peut-on dire des propriétés chimiques de ces éléments ?
Réponses :
a) K2L7. Il s'agit du fluor.
b) K2L8M7. Il s'agit du chlore.
Ces deux atomes ont le même nombre d'électrons dans leur dernière couche, donc
possèdent des propriétés chimiques semblables.
15
Un atome est formé de 11 protons, 12 neutrons et 11 électrons.
a) Quelle est sa structure électronique ?
b) Indiquer la structure électronique de deux atomes ayant les mêmes
propriétés chimiques que l'atome ci-dessus.
F
Be
B
C
O