Les configurations électroniques

Dernière mise à jour : 2022.2.11

Tous les atomes sont constitués de trois petites particules : les électrons, les protons et les neutrons. Le nombre de protons détermine le poids de l'atome.

La configuration électronique d'un atome est la description de la répartition des électrons sur des couches autour du noyau. Chacune de ces couches a un certain niveau d'énergie, comparé au noyau. En général, plus la couche est éloignée du noyau, plus son énergie est élevée, mais du fait de leur charge, les électrons peuvent aussi influencer les niveaux d'énergie des autres électrons. En général, les couches les plus proches du noyau sont les premières remplies par les électrons mais il peut y avoir des exceptions du fait des répulsions.

L'électronégativité d'un élément est une grandeur qui caractérise sa capacité à attirer les électrons lors de la formation d'une liaison chimique avec un autre élément. La différence d'électronégativité entre ces deux éléments détermine la nature de la liaison chimique : covalente lorsque la différence est faible, ionique lorsque cette différence est plus importante...

(voir aussi : "Le Système Périodique, les séries, les métalloïdes")

Sommaire :

Couches électroniques

Exemples

Liaison ionique

Liaison covalente

Liaison par chélation

Côte pratique

Contenu :

Les couches électroniques :

Le nombre de couches (= orbitales) d'électrons d'un atome détermine la période de l'élément. Chaque couche (K, L, M, N...) est divisée en différentes sous-couches (s, p, d, f,...), qui seront remplies dépendant du nombre d'électrons :

K L M N O P Q

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 5f14 6s2 6p6 6d10 6f14 7s2

2 2 222 2 222 22222 2 222 22222 2222222 2 222 22222 2222222 2 222 22222 2222222 2

2 8 18 32 32 32 2

Les couches et sous-couches seront d'une façon assez régulière remplies d'électrons dépendant du numéro atomique de l'élément, donc de son nombre de protons ou d'électrons :

- les électrons se placent d'abord sur les couches près du noyau en nombre bien déterminé par couche : les électrons sur les couches autour du noyau se positionnent souvent par (max) 2 électrons de spin opposé ou anti-parallèle (spin-up et spin-down), d'abord sur la 1s, ensuite sur la 2s, 2p, 3s et la 3p. Mais à partir du niveau 3p, les électrons se disposent d'abord sur la 4s et après sur la 3d. A d'autres niveaux, le même phénomène peut se présenter.

Les deux spins d'une couche ne doivent donc pas toujours être remplis, avant d'entamer le remplissage de la couche suivante.

La cause de cette irrégularité s'explique non seulement par l'interaction entre le noyau positif et l'électron ajouté mais également par les forces de répulsion entre tous les électrons présents.

- chacune des couches ou sous-couches représentent en fait un niveau d'énergie. Ces niveaux d'énergie augmentent en partant du centre vers l'extérieur de l'atome. Les électrons se disposent autour du noyau de façon à ce que leur niveau d'énergie soit le plus bas. Etant donné que le niveau d'énergie 3d est plus faible, mais très proche du niveau 4s, l'interaction avec d'autres forces (énergies) peut être supérieure. A ce moment il coûte moins d'énergie (= plus stable)de maintenir un électron dans une sous-couche d à moitié remplie que dans une sous-couche s remplie! Dans certains cas, même le spin (sens de rotation autour de l'axe) de l'électron peut être décisif : des spins parallèles offrent souvent une plus grande stabilité à la configuration électronique.

Exemples :

Oxygène :

Numéro atomique/nombre d'électrons/nombre de protons : 8

Masse atomique : 16 (8 protons, 8 neutrons)

Couches :

K L

2 6

2 2 2 1 1

1s2 2s2 2p4

u : électron avec un spin-up

d : électron avec un spin-down

Symbole :



.O.



Electrons de valence : 6 (électrons sur la couche externe L)

2 électrons spin-up impairs (points) et 2 duets (traits)

Stabilité :

Charge : neutre (+8 et –8)

Pour obtenir une structure stable (= 8 électrons (octet) sur la couche externe) : attirer 2 électrons

Le rayon ionique (ou atomique) s'élargit ainsi (mesure de la taille d'un ion).

Formation d'un ion : O^2-

Calcium :

Numéro atomique/nombre d'électrons/nombre de protons : 20

Masse atomique : 40 (20 protons, 20 neutrons)

Couches :

K L M N

2 8 8 2

2 2 222 2 222 2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

Symbole :

Ca :

Electrons de valence : 2 (électrons sur la couche externe N)

2 électrons spin-up impairs (points)

Stabilité :

Charge : neutre (+20 et –20)

Pour obtenir une structure stable (= 8 électrons (octet) sur la couche externe) : libérer 2 électrons

Le rayon ionique se rétrécit ainsi (mesure de la taille d'un ion).

Formation d'un ion : Ca²⁺

LIAISON IONIQUE (liaison non-covalente)

Des ions sont des atomes ou groupes d'atomes chargés pouvant se déplacer dans un champ électrique.

Par transfert d'électrons entre deux atomes portant respectivement une valeur électronégative faible et élevée (affinité plus faible ou plus forte), deux ions de charges opposées se forment (anion, cation), qui s'attirent pour former un système neutre sur le plan électrique. Mais, dans la molécule, les forces exercées par chacun des atomes diffèrent : la liaison est ionique (non-covalente).

Ces forces qui attirent deux ions de charge opposée sont assurées par l'interaction électrostatique. On les appelle les forces de Coulomb.



Ca : + .O. ------> CaO



Ca²⁺ + O^2- ---> CaO

LIAISON COVALENTE

Lorsque 2 atomes identiques forment ensemble une molécule diatomique, par exemple (H - H) ou une molécule de fluor (F - F), chacun des atomes met en commun un électron ; dans la molécule, les forces exercées par chacun des atomes sont identiques : la liaison est covalente. Les deux atomes partagent le même électron!

---> Dans la liaison ionique, l'affinité des deux éléments pour les électrons diffère : la liaison ionique est donc polaire.

Ces forces qui attirent deux atomes identiques sont nettement plus faibles que les forces de Coulomb dans la liaison ionique. On les appelle les forces de Van der Waals.

Dans une molécule, lorsque les atomes de part et d'autre de la liaison covalente ont des électronégativités différentes, l'atome le plus électronégatif attire davantage les électrons. La molécule reste globalement neutre mais un champ électrique apparaît au sein de celle-ci, on dit que la liaison est polarisée ou que la molécule est polaire.

LIAISON par CHELATION

Les chélateurs possèdent la propriété unique de former des complexes extrêmement stables (chélate) avec des métaux lourds et le calcium. Ils forment un complexe spécifique avec un métal (= chélaté), parce qu'ils possèdent moins de ligands potentiels.

Un ligand est un atome, un ion ou une molécule capable de participer comme partenaire-donneur dans 1 ou plusieurs liaisons de coordination (chélatantes).

Les ligands suivants participent dans l'organisme : -OH (hydroxyle), -COO (carboxyle), H₂PO₂ (phosphate), -SH (thiol), -NH₂ (amine) et imidazole

- Glutathion : possède des ligands -SH (e.a. dans l'ail...)
- Fibres alimentaires : possèdent également des propriétés de chélation

Exemples naturels :

1. - la vit B12 (cyanocobalamine) : chélation du Co
  - l'hémoglobine : chélation de l'atome de fer dans l'oxyhémoglobine (le groupement hème Fe²⁺ , ferro)

La plupart des métaux lourds présentent une forte affinité pour les groupes -SH. Le mécanisme d'action le plus important des métaux lourds (As, Hg, Cd) est formé par l'inactivation des enzymes SH dépendantes .

Le résultat d'une chélation est la formation d'un complexone, une structure annulaire (hétérocyclique), dans laquelle le métal est fixé par des liaisons de coordination hexadentées = Liaison par chélation.

Côté pratique :

Thérapie par chélation :

- l'EDTA possède 4 ligands (4 x -COO) : substance couramment utilisée pour la chélation de métaux lourds
- la déferoxamine : dans les intoxications par le Fe mais également dans les maladies par surcharge en fer (hémochromatose)
- le naloxone : antidote des analgésiques narcotiques
- l'acétylcystéine : dans la chélation d'un métabolite toxique du paracétamol
- la vit B12 : dans la chélation des cyanures (CN) dans l'alimentation