La configuration électronique des atomes (Z ≤ 18)

La leçon précédente a décrit le noyau. Passons maintenant au cortège électronique : l'ensemble des électrons qui entourent le noyau. Ces électrons ne forment pas un nuage désordonné — ils se répartissent selon des règles précises, et cette répartition explique presque toute la chimie de l'atome.

Les électrons occupent des couches, numérotées $n = 1, 2, 3, \ldots$ en partant de la plus proche du noyau. Chaque couche se subdivise en sous-couches, désignées par une lettre, et chaque sous-couche ne peut accueillir qu'un nombre limité d'électrons :

• une sous-couche s contient au maximum 2 électrons ;
• une sous-couche p contient au maximum 6 électrons.

En seconde, on se limite aux atomes dont le numéro atomique vérifie $Z \leqslant 18$ : cinq sous-couches suffisent alors, remplies dans cet ordre :

Écrire la configuration électronique d'un atome, c'est indiquer combien d'électrons occupent chaque sous-couche, en exposant. Exemple : l'atome de carbone ($Z = 6$) possède 6 électrons ; on en place 2 en $1s$, 2 en $2s$ et les 2 restants en $2p$, d'où la configuration :

Contrôle systématique : la somme des exposants doit être égale au nombre d'électrons, donc à $Z$ pour un atome neutre. Ici $2 + 2 + 2 = 6$. Ce contrôle attrape la majorité des erreurs.

Les électrons de valence. Tous les électrons ne jouent pas le même rôle. Ceux qui comptent pour la chimie sont les plus externes : on appelle électrons de valence les électrons de la couche de plus grand numéro $n$ occupée. Les autres, plus proches du noyau, sont les électrons de cœur ; ils ne participent pas aux réactions.

Deux exemples :

• sodium ($Z = 11$) : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}$. La couche la plus externe est la couche $n = 3$, occupée par $1$ électron : le sodium possède 1 électron de valence (et 10 électrons de cœur) ;
• chlore ($Z = 17$) : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{5}$. La couche externe $n = 3$ porte $2 + 5 = 7$ électrons : 7 électrons de valence. On additionne bien les électrons de toutes les sous-couches de la couche externe, $3s$ et $3p$.

La stabilité des gaz nobles. Trois éléments de la limite $Z \leqslant 18$ ont une couche externe complète :

• l'hélium ($Z = 2$) : $1s^{2}$ — couche $n = 1$ saturée à 2 électrons ;
• le néon ($Z = 10$) : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}$ — couche $n = 2$ saturée à 8 électrons ;
• l'argon ($Z = 18$) : $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{6}$ — sous-couches $3s$ et $3p$ saturées, soit 8 électrons externes.

Ces trois gaz, dits gaz nobles, sont chimiquement très stables : on ne les trouve presque jamais engagés dans des composés. Cette observation expérimentale est la clé des deux prochaines leçons : les autres atomes évoluent, lors des transformations chimiques, vers la configuration du gaz noble le plus proche — en formant des ions ou des molécules. Retiens dès maintenant les deux noms de ces objectifs : la règle du duet (2 électrons externes, pour les atomes proches de l'hélium) et la règle de l'octet (8 électrons externes, pour les autres).

Établissons la configuration électronique de l'atome de soufre ($Z = 16$), puis comptons ses électrons de valence.

1. Nombre d'électrons. L'atome est neutre : il possède autant d'électrons que de protons, soit $16$ électrons à répartir.

2. Remplissage dans l'ordre. On remplit chaque sous-couche à sa capacité maximale avant de passer à la suivante, en tenant le compte des électrons restants :

La dernière sous-couche n'est pas pleine : les $4$ électrons restants s'y placent, et le remplissage s'arrête.

3. Configuration.

Contrôle : $2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16 = Z$.

4. Électrons de valence. La couche occupée de plus grand numéro est $n = 3$ ; elle porte $2 + 4 = 6$ électrons. Le soufre a donc 6 électrons de valence.

5. Lecture chimique. Il manque $8 - 6 = 2$ électrons à la couche externe pour atteindre l'octet de l'argon : ce déficit annonce la chimie du soufre (l'ion sulfure et deux liaisons dans les molécules), que les leçons suivantes exploiteront.

Figure (fig.chemistry.electron-configuration, SVG programmatique à produire) : le remplissage du sodium ($Z = 11$) présenté comme un immeuble à cinq paliers.

• Colonne centrale — les paliers. Cinq cases empilées de bas en haut, étiquetées $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, avec leur capacité écrite à droite de chaque case : « 2 places », « 2 places », « 6 places », « 2 places », « 6 places ». Les cases $1s$ et $2s$ ont la même largeur ; les cases $p$, trois fois plus larges, matérialisent leurs 6 places par 6 emplacements séparés d'un trait fin.
• Remplissage. Les électrons sont des disques pleins numérotés de 1 à 11, posés dans l'ordre de remplissage : 2 en $1s$, 2 en $2s$, 6 en $2p$, 1 en $3s$ ; la case $3p$ reste vide (emplacements en pointillés). Une flèche serpentant de case en case, du bas vers le haut, porte la mention « ordre de remplissage : on ne monte qu'une fois le palier plein ».
• Panneau de droite — la lecture. La configuration $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}$ écrite en grand, chaque exposant relié par un trait fin au nombre de disques de la case correspondante. En dessous, l'addition de contrôle $2 + 2 + 6 + 1 = 11 = Z$.
• Encadré en bas. Les couches $n = 1$, $n = 2$, $n = 3$ délimitées par trois accolades englobant leurs sous-couches ; la couche $n = 3$, la plus haute occupée, est soulignée d'un trait épais avec l'étiquette « électrons de valence : 1 ».

Ce qu'il faut lire. L'image d'immeuble impose les deux règles d'un seul coup d'œil : chaque palier a un nombre de places fixé (2 ou 6), et l'on ne s'installe jamais à l'étage supérieur tant qu'il reste une place en dessous — c'est exactement l'erreur « remplir $2p$ avant $2s$ » rendue impossible par le dessin. Le soulignement final montre que les électrons de valence ne sont pas « les derniers placés » mais tous ceux de la couche la plus haute occupée.

Domaine de validité. L'ordre $1s\,2s\,2p\,3s\,3p$ et la règle « couche de plus grand $n$ » valent pour $Z \leqslant 18$, cadre du programme de seconde. Au-delà interviennent les sous-couches $d$ et un ordre de remplissage plus subtil, hors programme.

1. Dépasser la capacité d'une sous-couche. Écrire $2s^{3}$ ou $2p^{7}$ est toujours faux : une sous-couche $s$ plafonne à 2 électrons, une sous-couche $p$ à 6. Si le compte ne tombe pas juste, c'est le remplissage qui doit continuer sur la sous-couche suivante — pas la capacité qui doit s'étirer.
2. Remplir $2p$ avant $2s$. L'ordre de remplissage est strict : $1s$, puis $2s$, puis $2p$. La configuration $1s^{2}\,2p^{2}$ pour le béryllium n'existe pas ; la bonne écriture est $1s^{2}\,2s^{2}$.
3. Compter tous les électrons comme électrons de valence. Les électrons de valence sont uniquement ceux de la couche de plus grand $n$ occupée. Pour le sodium ($1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}$), il y en a $1$ — pas $11$. Les 10 autres sont des électrons de cœur.
4. Oublier une sous-couche de la couche externe. Pour le chlore, la couche $n = 3$ contient $3s^{2}$ et $3p^{5}$ : les électrons de valence sont $2 + 5 = 7$, pas $5$. On additionne toutes les sous-couches de même $n$.
5. Ne pas vérifier la somme. La somme des exposants doit valoir $Z$ pour un atome neutre. Cette addition de cinq secondes détecte l'oubli d'une sous-couche, un exposant faux ou un décompte d'électrons erroné — c'est le réflexe à prendre avant de conclure.

Exercice type — celui que produit le modèle d'entraînement associé à cette leçon : un QCM demande la configuration d'un atome de numéro atomique donné, l'élément correspondant à une configuration, ou la sous-couche qui se remplit après une autre ; les mauvaises réponses reproduisent les erreurs classiques (capacités dépassées, ordre inversé, somme fausse).

Énoncé. On considère l'atome de magnésium, de numéro atomique $Z = 12$. Quelle est sa configuration électronique ?

• A. $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}$
• B. $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{8}$
• C. $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3p^{2}$
• D. $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{5}\,3s^{2}\,3p^{1}$

Corrigé. L'atome neutre possède $12$ électrons. Remplissage dans l'ordre : $2$ en $1s$, $2$ en $2s$, $6$ en $2p$ (sa capacité maximale), et les $2$ restants en $3s$. Réponse A, avec le contrôle $2 + 2 + 6 + 2 = 12$. La proposition B dépasse la capacité de la sous-couche $2p$ ($8 > 6$) ; la C saute la sous-couche $3s$, qui se remplit avant $3p$ ; la D abandonne la sous-couche $2p$ incomplète alors qu'il reste des électrons à placer.

Auto-contrôle : capacité respectée ($s \leqslant 2$, $p \leqslant 6$), ordre respecté, somme égale à $Z$ — les trois vérifications éliminent ici chacune une mauvaise réponse.