Tu n'as jamais vu le tableau périodique mais un contrôle arrive ? Pas de panique. On reprend depuis les atomes que tu connais déjà et on va droit au but : lire la position d'un élément pour en déduire sa famille et sa période. Accroche-toi, c'est du rapide efficace.
Rapide rappel : les atomes
Un atome est constitué d'un noyau (protons et neutrons) entouré d'électrons. Le numéro atomique $Z$ est le nombre de protons. Dans un atome électriquement neutre, le nombre d'électrons est également $Z$. Les électrons sont répartis en couches électroniques notées K, L, M... Chaque couche peut contenir un nombre limité d'électrons : K (2 max), L (8 max), M (8 max en classe de 3e). On écrit la structure électronique en indiquant le nombre d'électrons dans chaque couche occupée, par exemple $(K)2, (L)7$ pour le fluor. On appelle couche externe la dernière couche contenant des électrons.
L'idée du tableau périodique
Le tableau périodique classe tous les éléments chimiques par numéro atomique $Z$ croissant. Il est organisé en lignes horizontales appelées périodes et en colonnes verticales appelées familles. La règle est simple :
- Le numéro de la période = le nombre de couches électroniques occupées.
- Le numéro de la famille = le nombre d'électrons présents sur la couche externe.
Des éléments d'une même famille ont le même nombre d'électrons externes et donc des propriétés chimiques similaires. Exemple avec le sodium ($_{11}\text{Na}$) : $(K)2\,(L)8\,(M)1$ → 3 couches occupées → 3
e période ; 1 électron externe → famille 1 (alcalins). Voici son schéma :
À toi de jouer
1. Complète les phrases pour le fluor $_{9}\text{F}$.
Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$
Le fluor a $\underline{\hspace{1.1em}}$ couche(s) occupée(s) donc il est dans la $\underline{\hspace{1.1em}}$e période.
Son nombre d'électrons sur la couche externe est $\underline{\hspace{1.1em}}$ donc il appartient à la famille $\underline{\hspace{1.1em}}$ (appelée les $\underline{\hspace{1.1em}}$).
Corrigé
Structure électronique : (K)2 (L)7
Le fluor a 2 couches occupées donc il est dans la 2e période.
Son nombre d'électrons sur la couche externe est 7 donc il appartient à la famille 17 (appelée les halogènes).
2. Même travail pour le magnésium $_{12}\text{Mg}$.
Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(M)\underline{\hspace{1.1em}}$
Nombre de couches occupées : $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ $\underline{\hspace{1.1em}}$e période.
Électrons externes : $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
Structure électronique : (K)2 (L)8 (M)2
Nombre de couches occupées : 3 $\rightarrow$ 3e période.
Électrons externes : 2 $\rightarrow$ famille 2.
3. Enfin pour l'argon $_{18}\text{Ar}$.
Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(M)\underline{\hspace{1.1em}}$
Nombre de couches occupées : $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ $\underline{\hspace{1.1em}}$e période.
Électrons externes : $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$ (gaz $\underline{\hspace{1.1em}}$).
Corrigé
Structure électronique : (K)2 (L)8 (M)8
Nombre de couches occupées : 3 $\rightarrow$ 3e période.
Électrons externes : 8 $\rightarrow$ famille 18 (gaz nobles).
Ah oui, c'est ça ! On a vu que la position dans le tableau dépend de la structure électronique. On va reprendre la méthode étape par étape, et ensuite, un peu d'entraînement pour que ça devienne un réflexe. Prêt à ne plus confondre période et famille ?
Méthode en 3 étapes
Pour déterminer la période et la famille d'un atome à partir de son numéro atomique $Z$ :
- Écrire la structure électronique : on répartit les $Z$ électrons dans les couches K, L, M... en respectant les capacités (K max 2, L max 8, M max 8 en 3e). Vérifier : la somme de tous les électrons doit faire $Z$.
- Déterminer la période : compter le nombre de couches occupées (K, L, M...). C'est le numéro de la période.
- Déterminer la famille : regarder le nombre d'électrons sur la dernière couche occupée (couche externe). C'est le numéro de la famille. Exceptions : l'hélium (He) a 2 électrons sur K mais appartient à la famille 18 car sa couche externe est saturée.
Pièges à éviter : Ne pas confondre le nombre de couches (période) et le nombre d'électrons sur la couche externe (famille). Ne pas dépasser les capacités des couches. Pour la couche M, on se limite à 8 en 3e (même si elle peut en contenir 18 en réalité).
À toi de jouer
1. Un atome a pour structure électronique $(K)2 (L)8 (M)7$. Complète.
Son numéro atomique $Z$ est $\underline{\hspace{1.1em}}$ (somme des électrons).
Il y a $\underline{\hspace{1.1em}}$ couches occupées $\rightarrow$ il se trouve dans la $\underline{\hspace{1.1em}}$ période.
Le nombre d'électrons sur la couche externe est $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Cet élément est le $\underline{\hspace{1.1em}}$ (nom) de symbole $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
Z = 2+8+7 = 17.
Il y a 3 couches occupées $\rightarrow$ 3e période.
Électrons externes = 7 $\rightarrow$ famille 17.
Cet élément est le chlore de symbole Cl.
2. Un élément est en 3e période et famille 2. Complète les phrases.
Cela signifie qu'il a $\underline{\hspace{1.1em}}$ couche(s) électronique(s) occupée(s) et $\underline{\hspace{1.1em}}$ électron(s) sur sa couche externe.
Sa structure électronique est donc : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(M)\underline{\hspace{1.1em}}$.
Son numéro atomique $Z$ vaut $\underline{\hspace{1.1em}}$, il s'agit du $\underline{\hspace{1.1em}}$ (nom).
Corrigé
3 couches et 2 électrons externes.
Structure : (K)2 (L)8 (M)2.
Z = 12, c'est le magnésium.
3. Utilise l'extrait du tableau périodique ci-dessus pour répondre.
a) La ligne horizontale contenant Li, Be, B, C, N, O, F, Ne est la période $\underline{\hspace{1.1em}}$.
b) La colonne entourée en bleu est la famille $\underline{\hspace{1.1em}}$, appelée les $\underline{\hspace{1.1em}}$.
c) Le phosphore $_{15}\text{P}$ se trouve dans la période $\underline{\hspace{1.1em}}$ et la famille $\underline{\hspace{1.1em}}$, car sa structure électronique est $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(M)\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
a) période 2. b) colonne bleue = famille 17 (halogènes). c) phosphore : structure (K)2 (L)8 (M)5, période 3, famille 15.
Maintenant, on répète pour que ça rentre. Cinq éléments, même méthode. Tu vas voir, c'est comme une gymnastique. Allez, go.
À toi de jouer
1. Carbone $_{6}\text{C}$ : Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$
Nombre de couches occupées = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ période $\underline{\hspace{1.1em}}$
Électrons externes = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
(K)2 (L)4 ; 2 couches -> période 2 ; 4 électrons externes -> famille 14
2. Azote $_{7}\text{N}$ : Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$
Nombre de couches occupées = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ période $\underline{\hspace{1.1em}}$
Électrons externes = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
(K)2 (L)5 ; 2 couches -> période 2 ; 5 électrons externes -> famille 15
3. Néon $_{10}\text{Ne}$ : Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$
Nombre de couches occupées = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ période $\underline{\hspace{1.1em}}$
Électrons externes = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$ (gaz nobles)
Corrigé
(K)2 (L)8 ; 2 couches -> période 2 ; 8 électrons externes -> famille 18 (gaz nobles)
4. Silicium $_{14}\text{Si}$ : Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(M)\underline{\hspace{1.1em}}$
Nombre de couches occupées = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ période $\underline{\hspace{1.1em}}$
Électrons externes = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
(K)2 (L)8 (M)4 ; 3 couches -> période 3 ; 4 électrons externes -> famille 14
5. Phosphore $_{15}\text{P}$ : Structure électronique : $(K)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(L)\underline{\hspace{1.1em}}$ $(M)\underline{\hspace{1.1em}}$
Nombre de couches occupées = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ période $\underline{\hspace{1.1em}}$
Électrons externes = $\underline{\hspace{1.1em}}$ $\rightarrow$ famille $\underline{\hspace{1.1em}}$
Corrigé
(K)2 (L)8 (M)5 ; 3 couches -> période 3 ; 5 électrons externes -> famille 15
Place au sérieux : voici des sujets type contrôle ou brevet. Tu es maintenant capable de faire face à n'importe quel exercice du collège sur les périodes et familles. Pas de trous, lis bien l'énoncé et écris ta réponse. Courage !
Mémento
Rappel : Période = nombre de couches occupées (lignes). Famille = nombre d'électrons sur la couche externe (colonnes). Familles notables : 1 (alcalins), 17 (halogènes), 18 (gaz nobles).
À toi de jouer
1. Pour chacun des éléments suivants, écris la structure électronique, puis indique sa période et sa famille.
a) Aluminium $_{13}\text{Al}$
b) Soufre $_{16}\text{S}$
c) Potassium $_{19}\text{K}$ (attention, la couche M ne peut contenir que 8 électrons en 3e)
Corrigé
a) Al : (K)2 (L)8 (M)3 ; 3 couches -> 3e période ; 3 électrons externes -> famille 13.
b) S : (K)2 (L)8 (M)6 ; 3 couches -> 3e période ; 6 électrons externes -> famille 16.
c) K : (K)2 (L)8 (M)8 (N)1 ; 4 couches -> 4e période ; 1 électron externe -> famille 1.
2. On donne les structures électroniques suivantes. Pour chaque atome, détermine son numéro atomique $Z$, sa période, sa famille et donne son nom si tu le reconnais.
a) $(K)2 (L)4$
b) $(K)2 (L)8 (M)7$
Corrigé
a) Z = 2+4 = 6 (carbone) ; 2 couches -> 2e période ; 4 électrons externes -> famille 14.
b) Z = 2+8+7 = 17 (chlore) ; 3 couches -> 3e période ; 7 électrons externes -> famille 17.
3. Le sodium $_{11}\text{Na}$ et le potassium $_{19}\text{K}$ appartiennent à la même famille.
a) Écris leurs structures électroniques.
b) Combien d'électrons chacun possède-t-il sur sa couche externe ?
c) À quelle famille appartiennent-ils ? Donne son nom courant.
d) En t'aidant de la règle de l'octet, explique pourquoi ils forment facilement des ions $\text{Na}^+$ et $\text{K}^+$.
Corrigé
a) Na : (K)2 (L)8 (M)1 ; K : (K)2 (L)8 (M)8 (N)1.
b) 1 électron externe chacun.
c) Famille 1, alcalins.
d) En perdant cet unique électron externe, ils acquièrent une structure en octet (comme le gaz noble précédent). Na devient Na$^+$, K devient K$^+$.
4. Un atome inconnu $X$ possède la structure électronique $(K)2 (L)8 (M)8 (N)1$.
a) Détermine le numéro atomique $Z$ de $X$.
b) Indique sa période et sa famille.
c) Cet élément appartient-il à la famille des alcalins, des halogènes ou des gaz nobles ? Justifie.
d) Donne le nom de l'élément $X$.
Corrigé
a) Z = 2+8+8+1 = 19.
b) Couches occupées : 4 -> 4e période ; 1 électron externe -> famille 1.
c) Famille 1 => alcalins.
d) Potassium.
5. Deux éléments sont décrits par leur position :
$A$ est en 2e période, famille 16.
$B$ est en 3e période, famille 1.
a) Écris la structure électronique de $A$ et identifie-le.
b) Écris la structure électronique de $B$ et identifie-le.
c) En te basant sur la règle de l'octet, prédis les ions qu'ils forment.
d) Déduis la formule du composé ionique résultant de leur réaction.
Corrigé
a) A : 2e période (2 couches), famille 16 (6 électrons externes) -> (K)2 (L)6 ; Z=8, oxygène O.
b) B : 3e période (3 couches), famille 1 (1 électron externe) -> (K)2 (L)8 (M)1 ; Z=11, sodium Na.
c) O devient O$^{2-}$ (gain de 2 e-), Na devient Na$^+$ (perte d'1 e-).
d) Il faut 2 Na$^+$ pour équilibrer la charge de O$^{2-}$ -> Na$_2$O.
Tu maîtrises parfaitement la lecture du tableau périodique. Pour prendre de l'avance, voyons comment les familles dictent le comportement chimique des éléments : pourquoi certains perdent ou gagnent des électrons et comment prédire les formules des composés. C'est du niveau Seconde, mais tu vas voir, c'est logique.
Ions et familles : une histoire d'octet
La règle de l'octet dit que pour être stables, les atomes cherchent à avoir 8 électrons sur leur couche externe (ou 2 s'ils n'ont que la couche K). Les métaux (familles 1, 2, 13) vont facilement perdre des électrons pour se retrouver avec la couche externe saturée précédente : ils forment des cations. Les non-métaux (familles 15, 16, 17) vont plutôt gagner des électrons pour compléter leur couche externe à 8 : ils forment des anions. La charge de l'ion est égale au nombre d'électrons perdus (+) ou gagnés (-). Exemple : l'oxygène (famille 16) a 6 électrons externes, il lui en faut 2 de plus pour arriver à 8 → ion O$^{2-}$. Le sodium (famille 1) perd son électron unique → Na$^+$.
À toi de jouer
1. Le calcium $_{20}\text{Ca}$ est dans la famille 2. Écris sa structure électronique. En déduire l'ion stable qu'il a tendance à former. Justifie par la règle de l'octet.
Corrigé
Ca : (K)2 (L)8 (M)8 (N)2. En perdant 2 électrons, il acquiert la structure en octet de l'argon (3 couches pleines). Il forme donc Ca$^{2+}$.
2. On te dit qu'un élément appartient à la 4e période et à la famille 17. Déduis sa structure électronique, son nom chimique, et l'ion qu'il forme pour respecter l'octet. (Aide : couche N après M)
Corrigé
Comme l'élément appartient à la 4e période, tu sais que ses électrons sont répartis sur 4 couches : $K$, $L$, $M$ et $N$.
Son appartenance à la famille 17 t'indique qu'il possède 7 électrons externes (sur sa dernière couche occupée, la couche $N$).
Les couches internes étant saturées (2 électrons sur la couche $K$, 8 sur la couche $L$ et 18 sur la couche $M$), sa structure électronique est $(K)^2(L)^8(M)^{18}(N)^7$.
En faisant la somme, tu obtiens $2 + 8 + 18 + 7 = 35$ électrons. Comme un atome est neutre, son numéro atomique est $Z = 35$. En regardant le tableau périodique, tu trouves qu'il s'agit du brome, de symbole $\text{Br}$.
Pour respecter la règle de l'octet, l'atome cherche à avoir 8 électrons sur sa couche externe. Comme il en a 7, il doit gagner 1 électron. Il forme alors l'ion bromure, de formule $\text{Br}^-$.
3. Explique pourquoi le sodium Na (famille 1) et le magnésium Mg (famille 2) forment respectivement avec l'oxygène (famille 16) les composés Na$_2$O et MgO. (Pense aux charges des ions.)
Corrigé
Na perd 1 e- -> Na$^+$ ; Mg perd 2 e- -> Mg$^{2+}$ ; O gagne 2 e- -> O$^{2-}$. Pour que la somme des charges soit nulle, il faut 2 Na$^+$ pour compenser O$^{2-}$ (Na$_2$O), tandis qu'avec Mg$^{2+}$, un seul ion magnésium suffit pour un ion oxyde (MgO).