Le cortège électronique et le tableau périodique seconde : exercices corrigés (PDF)

Pourquoi le sodium et le potassium réagissent-ils tous les deux vivement avec l’eau, alors que l’argon ne réagit pratiquement avec rien ? La réponse tient à quelques électrons : ceux de la couche externe de l’atome. Ce chapitre t’apprend à les repérer dans la configuration électronique, puis à en déduire la place de l’élément dans le tableau périodique et sa famille. Le chapitre suivant, sur les ions et les molécules, repart de là. Les trois premiers exercices vérifient que le cours est compris, sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants sont des situations de contrôle, avec un corrigé rédigé comme au tableau.

De la configuration électronique à la case du tableau

1Écrire la configuration

On place les Z électrons de l’atome dans les sous-couches, dans l’ordre ci-dessous, en remplissant chacune avant de passer à la suivante : on obtient la configuration de l’atome à l’état fondamental, son état de plus basse énergie. Une sous-couche s accueille au plus 2 électrons, une sous-couche p au plus 6 : chaque rond représente une place.

1s 2 électrons au plus
2s 2 électrons au plus
2p 6 électrons au plus
3s 2 électrons au plus
3p 6 électrons au plus

Exemple : le sodium (Z = 11) a pour configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. La somme des exposants, 2 + 2 + 6 + 1, redonne bien 11.

2Lire la configuration

La période

La couche externe est la couche de plus grand numéro, c’est-à-dire le plus grand chiffre placé devant une lettre s ou p. Son numéro est celui de la période.

Sodium : la couche externe est la couche 3, donc le sodium est dans la 3^e période.

Les électrons de valence

Ce sont les électrons de la couche externe : on additionne les exposants des sous-couches qui portent son numéro.

Sodium : la couche 3 ne contient que 3s¹, donc 1 électron de valence.

La colonne

Si la configuration se termine par une sous-couche s (bloc s), la colonne est le nombre d’électrons de valence, 1 ou 2. Si elle se termine par une sous-couche p (bloc p), la colonne vaut 10 + le nombre d’électrons de valence ; le 10 compte les colonnes 3 à 12, vides sur les trois premières lignes.

Sodium : bloc s et 1 électron de valence, donc colonne 1.

3Trouver la case et la famille

Les trois premières lignes du tableau périodique : une ligne par période, avec le numéro des colonnes en haut.
Période	1	2	13	14	15	16	17	18
1	H 1							He 2
2	Li 3	Be 4	B 5	C 6	N 7	O 8	F 9	Ne 10
3	Na 11	Mg 12	Al 13	Si 14	P 15	S 16	Cl 17	Ar 18
	bloc s		bloc p

Métaux alcalins : colonne 1, sauf l’hydrogène
Halogènes : colonne 17
Gaz nobles : colonne 18

Les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons de valence, l’hélium excepté, et des propriétés chimiques voisines : ils forment une famille. Les colonnes 3 à 12 du tableau complet ne contiennent aucun élément de numéro atomique inférieur ou égal à 18. L’hydrogène est placé dans la colonne 1 sans être un métal alcalin. L’hélium (1s²) n’a que 2 électrons de valence, mais sa sous-couche est pleine, comme toutes celles des autres gaz nobles : il est rangé avec eux, dans la colonne 18.

La carte du chapitre : écrire la configuration, la lire, puis trouver la case de l’élément et sa famille.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Écris chaque configuration en entier sur ta feuille, puis vérifie que la somme des exposants redonne le numéro atomique. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

Le chapitre en un paragraphe

★★★

Le cours en un texte à trous

Dans les atomes étudiés en Seconde, les électrons occupent des sous-couches notées 1s, 2s, 2p, 3s et 3p. Une sous-couche s accueille au plus électrons, et une sous-couche p au plus . À l'état fondamental, on les remplit dans cet ordre, en complétant chacune avant de passer à la suivante. Les électrons de valence sont ceux de la couche , appelée couche externe. Le numéro de cette couche donne de l'élément dans le tableau périodique. Les éléments d'une même colonne, l'hélium mis à part, ont le même nombre d'électrons de valence et forment une chimique : leurs propriétés chimiques sont . Par exemple, les gaz nobles, rangés dans la colonne 18, sont chimiquement très .

Exercice 4

L'aluminium et l'oxygène

★★★

Configuration, électrons de valence et position

L’aluminium, qui sert par exemple à fabriquer des canettes, se recouvre au contact de l’air d’une très fine couche d’oxyde d’aluminium, un composé formé d’aluminium et d’oxygène. Cette couche protège le métal.

Données : aluminium $\textrm{Al}$ : ${Z = 13}$ ; oxygène $\textrm{O}$ : ${Z = 8}$ ; soufre $\textrm{S}$ : ${Z = 16}$ . Ordre de remplissage des sous-couches : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p ; une sous-couche s accueille au plus 2 électrons, une sous-couche p au plus 6.

Écrire la configuration électronique de l’atome d’aluminium et celle de l’atome d’oxygène, à l’état fondamental.
Donner le nombre d’électrons de valence de chacun de ces deux atomes.
En déduire la position de chaque élément dans le tableau périodique : sa période, son bloc et sa colonne.
Dans le tableau périodique, le soufre est placé juste sous l’oxygène. Sans écrire sa configuration électronique, prévoir le nombre d’électrons de valence de l’atome de soufre. Vérifier ensuite cette prévision en écrivant la configuration électronique de l’atome de soufre.

Voir le corrigé

1. Le numéro atomique ${Z = 13}$ est le nombre de protons du noyau. L’atome d’aluminium étant électriquement neutre, il possède aussi 13 électrons. On les place dans l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, en remplissant chaque sous-couche avant de passer à la suivante (2 électrons au plus dans une sous-couche s, 6 dans une sous-couche p) :

Aluminium : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^1$

La somme des exposants vaut ${2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13}$ : on retrouve bien les 13 électrons de l’atome. De la même façon, l’atome d’oxygène possède 8 électrons :

Oxygène : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$

avec une somme des exposants égale à ${2 + 2 + 4 = 8}$ .

2. Les électrons de valence sont ceux de la couche externe, la couche de plus grand numéro.

Aluminium : la couche externe est la couche 3, qui contient $3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^1$ , soit ${2 + 1 = 3}$ électrons de valence.
Oxygène : la couche externe est la couche 2, qui contient $2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ , soit ${2 + 4 = 6}$ électrons de valence.

3. On lit la position sur la configuration :

Aluminium : la couche externe est la couche 3, donc l’aluminium est dans la 3^e période. Sa configuration se termine par une sous-couche p : il appartient au bloc p, et sa colonne vaut ${10 + 3 = 13}$ , soit la colonne 13.
Oxygène : la couche externe est la couche 2, donc l’oxygène est dans la 2^e période. Sa configuration se termine par une sous-couche p : il appartient au bloc p, et sa colonne vaut ${10 + 6 = 16}$ , soit la colonne 16.

Ces deux cases se retrouvent sur la carte en haut de page.

4. Le soufre est placé juste sous l’oxygène : il est dans la même colonne, la colonne 16. Or les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons de valence (seul l’hélium fait exception, dans la colonne 18) : on prévoit donc que l’atome de soufre en possède 6, comme l’atome d’oxygène.

Vérification : l’atome de soufre possède 16 électrons.

Soufre : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^4$

La somme des exposants vaut bien ${2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16}$ . La couche externe est la couche 3, qui contient $3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^4$ , soit ${2 + 4 = 6}$ électrons de valence : la prévision est confirmée. Le soufre se trouve une ligne plus bas que l’oxygène, dans la 3^e période, parce que ses électrons occupent une couche de plus.

Réflexe à retenir : le numéro de la couche externe donne la période ; le nombre d’électrons de cette couche, les électrons de valence, donne la colonne.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

La famille des halogènes

★★★

Type contrôle, avec un document à exploiter

Le fluor, le chlore, le brome et l’iode sont rangés dans la même colonne du tableau périodique. Le document ci-dessous rassemble quelques propriétés de ces quatre éléments.

Document - Quatre éléments et leurs corps simples

9 F Fluor

Corps simple: difluor F₂
À 20 °C: gaz jaune pâle
Avec le sodium: fluorure de sodium NaF, un solide blanc

17 Cl Chlore

Corps simple: dichlore Cl₂
À 20 °C: gaz jaune-vert
Avec le sodium: chlorure de sodium NaCl, un solide blanc

35 Br Brome

Corps simple: dibrome Br₂
À 20 °C: liquide rouge-brun
Avec le sodium: bromure de sodium NaBr, un solide blanc

53 I Iode

Corps simple: diiode I₂
À 20 °C: solide gris-noir, aux vapeurs violettes
Avec le sodium: iodure de sodium NaI, un solide blanc

Le document de l’exercice : pour chaque élément, son numéro atomique, son corps simple (l’espèce chimique formée uniquement de cet élément) et le solide qu’il forme avec le sodium.

Données : fluor $\textrm{F}$ : ${Z = 9}$ ; chlore $\textrm{Cl}$ : ${Z = 17}$ . Le brome $\textrm{Br}$ , de numéro atomique 35, et l’iode $\textrm{I}$ , de numéro atomique 53, sont placés sous le chlore, dans la 4^e et la 5^e période ; leur configuration électronique n’est pas au programme de Seconde. Ordre de remplissage des sous-couches : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p ; une sous-couche s accueille au plus 2 électrons, une sous-couche p au plus 6.

Écrire la configuration électronique de l’atome de fluor et celle de l’atome de chlore, à l’état fondamental.
Pour chacun de ces deux atomes, donner le nombre d’électrons de valence, puis la période et la colonne de l’élément.
Sans écrire leur configuration, donner le nombre d’électrons de valence des atomes de brome et d’iode. Justifier.
Relever dans le document une propriété commune aux quatre éléments, puis une propriété qui change d’un élément à l’autre.
Expliquer, à l’aide du cortège électronique, pourquoi ces quatre éléments forment une famille chimique, et nommer cette famille.

Voir le corrigé

1. Un atome possède autant d’électrons que de protons, c’est-à-dire $Z$ électrons : 9 pour le fluor et 17 pour le chlore. On les place dans l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, en remplissant chaque sous-couche avant la suivante :

Fluor : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^5$

Chlore : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$

Les sommes des exposants redonnent bien les numéros atomiques : ${2 + 2 + 5 = 9}$ et ${2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17}$ .

2. On repère la couche externe de chaque atome :

Fluor : la couche externe est la couche 2, qui contient $2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^5$ , soit ${2 + 5 = 7}$ électrons de valence. Le fluor est dans la 2^e période. Sa configuration se termine par une sous-couche p : il est dans le bloc p, et sa colonne vaut ${10 + 7 = 17}$ , soit la colonne 17.
Chlore : la couche externe est la couche 3, qui contient $3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ , soit ${2 + 5 = 7}$ électrons de valence. Le chlore est dans la 3^e période, dans le bloc p, et sa colonne vaut ${10 + 7 = 17}$ : colonne 17, elle aussi.

3. Le brome et l’iode sont rangés dans la même colonne que le fluor et le chlore, la colonne 17. Or les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons de valence (seul l’hélium fait exception, dans la colonne 18) : les atomes de brome et d’iode possèdent donc chacun 7 électrons de valence.

4. Propriété commune : avec le sodium, les quatre éléments forment un solide blanc, et les formules de ces solides se ressemblent : $\textrm{NaF}$ , $\textrm{NaCl}$ , $\textrm{NaBr}$ et $\textrm{NaI}$ . On passe de l’une à l’autre en changeant seulement le symbole de l’élément. On peut aussi relever que leurs corps simples sont formés de molécules à deux atomes : $\textrm{F}_2$ , $\textrm{Cl}_2$ , $\textrm{Br}_2$ et $\textrm{I}_2$ .

Propriété qui change : l’état physique du corps simple à 20 °C. Le difluor et le dichlore sont des gaz, le dibrome est un liquide et le diiode un solide. Leur couleur change aussi.

5. Les atomes de ces quatre éléments ont le même nombre d’électrons de valence, 7, et les quatre éléments sont rangés dans la même colonne. Or ce sont les électrons de valence qui gouvernent le comportement chimique d’un atome : les éléments d’une même colonne ont donc des propriétés chimiques voisines, comme la réaction avec le sodium du document. Ces quatre éléments forment une famille chimique : la famille des halogènes.

Réflexe à retenir : pour justifier que des éléments forment une famille, on cite leur colonne commune et leur nombre d’électrons de valence, puis une propriété chimique commune. Une même famille ne veut pas dire des corps identiques : l’état physique, par exemple, change d’un halogène à l’autre.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Vérifie chaque configuration par la somme des exposants. Elle doit redonner le numéro atomique $Z$ : si elle ne tombe pas juste, un électron a été oublié ou ajouté en route.
Repère la couche externe avant tout le reste. Son numéro donne la période, et ses électrons, les électrons de valence, donnent la colonne : leur nombre dans le bloc s, 10 de plus dans le bloc p.
Une colonne, une famille. Les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons de valence et des propriétés chimiques voisines, sans être identiques. Une exception à connaître : l’hélium, qui n’a que 2 électrons de valence, est rangé avec les gaz nobles, dans la colonne 18.

Exercices corrigés — Le cortège électronique et le tableau périodique

Lire une configuration électronique

De la configuration à la case du tableau