Familles chimiques : prévoir l'ion monoatomique stable

La leçon précédente l'a montré : dans les familles des blocs s et p étudiées, les configurations externes analogues expliquent des propriétés chimiques voisines ; He est l'exception de décompte de la colonne 18. Une famille chimique est justement l'ensemble des éléments d'une même colonne. Cette leçon étudie trois familles et certains ions usuels : elle ne prétend pas prévoir toute la chimie à partir d'une colonne.

Les alcalins (colonne 1, hydrogène mis à part) : lithium $\mathrm{Li}$, sodium $\mathrm{Na}$, potassium $\mathrm{K}$… Ce sont des métaux mous, qui réagissent vivement avec l'eau — avec des tendances de réactivité qui ne constituent pas un protocole d'expérience — et qu'on conserve pour cette raison à l'abri de l'air et de l'humidité. Tous possèdent 1 électron de valence.

Les halogènes (colonne 17) : fluor $\mathrm{F}$, chlore $\mathrm{Cl}$, brome $\mathrm{Br}$, iode $\mathrm{I}$. Très réactifs eux aussi, ils se combinent facilement aux métaux pour former des solides ioniques — le chlorure de sodium du sel de cuisine en est l'exemple familier. Tous possèdent 7 électrons de valence.

Les gaz nobles (colonne 18) : hélium $\mathrm{He}$, néon $\mathrm{Ne}$, argon $\mathrm{Ar}$… He possède 1s remplie ; Ne et Ar ont leurs sous-couches externes s et p remplies. Leur faible réactivité fournit un repère de configuration, sans nier les composés de certains gaz nobles ni leur ionisation dans d'autres conditions.

Un mot sur l'hydrogène : sa configuration $1s^{1}$ le place en colonne 1, mais ce gaz n'a rien d'un métal mou — il ne fait pas partie de la famille des alcalins. Sa case en haut de la colonne 1 est une commodité de classement, pas un air de famille.

Les configurations de He, Ne et Ar servent de repères pour décrire certains ions monoatomiques usuels. Le duet et l'octet sont des règles de modèle, pas un mécanisme volontaire des atomes ni une loi universelle de stabilité.

• Le duet décrit une configuration externe à deux électrons, comme $1s^{2}$ pour He.
• L'octet décrit huit électrons externes dans les configurations de Ne et Ar.

Un ion monoatomique se forme par un bilan de gain ou perte d'électrons, à composition du noyau inchangée. Une perte crée une charge positive ; un gain crée une charge négative. Dans les composés usuels étudiés, on rencontre notamment :

• les alcalins de colonne 1 sous forme $\mathrm{X^{+}}$, et Mg/Ca de colonne 2 sous forme $\mathrm{X^{2+}}$ ;
• O et S sous forme $\mathrm{X^{2-}}$, et les halogènes étudiés sous forme $\mathrm{X^{-}}$ ;
• He, Ne et Ar sans ion monoatomique dans les situations chimiques ordinaires retenues ici.

Ces régularités permettent une prévision dans le corpus choisi. Compter les électrons à transférer ne compare pas à lui seul les énergies : former un composé dépend aussi des partenaires et de l'environnement. En particulier, gagner quatre électrons et en perdre quatre n'ont pas le même coût par simple égalité de nombres.

Le carbone forme souvent des liaisons covalentes, mais il serait faux d'affirmer que toutes les colonnes 13 à15 ne forment que des molécules : $\mathrm{Al^{3+}}$ et l'ion nitrure $\mathrm{N^{3-}}$ sont des contre-exemples dans des composés appropriés. La prochaine leçon étudie la mise en commun d'électrons avec les schémas de Lewis.

Le calcium $\mathrm{Ca}$ ($Z = 20$) occupe la colonne 2 du tableau périodique, sous le magnésium. Prévoyons l'ion monoatomique stable qu'il forme.

1. Électrons de valence. La colonne 2 appartient au bloc s : ses éléments ont $v = 2$ électrons de valence. (Le calcium dépasse $Z = 18$, on ne demande pas sa configuration complète : la colonne suffit — c'est toute la force du tableau.)

2. Appliquer la régularité du corpus. Dans les composés ioniques usuels étudiés, le calcium forme un ion 2+. Son bilan est une perte de deux électrons, qui laisse la configuration de Ar. Ce décompte n'est pas un calcul d'énergie de formation d'un ion isolé.

3. Bilan de charges. L'atome neutre portait autant de charges positives (protons) que négatives (électrons). En perdant 2 électrons, il conserve tous ses protons et se retrouve avec 2 charges positives excédentaires :

L'ion calcium stable est $\mathrm{Ca^{2+}}$ — celui-là même des eaux minérales dites « calciques ».

4. Contre-vérification par la famille. Le magnésium, juste au-dessus dans la colonne 2, forme $\mathrm{Mg^{2+}}$ : même colonne, même charge. Une prévision qui contredirait la famille (un $\mathrm{Ca^{+}}$, par exemple) doit immédiatement éveiller le soupçon.

5. Et le voisin d'en face ? Le soufre $\mathrm{S}$ (colonne 16, $v = 6$) suit le raisonnement inverse : le bilan de l'ion usuel dans ce corpus est un gain de $8 - 6 = 2$ électrons, d'où l'ion sulfure $\mathrm{S^{2-}}$. Perte à gauche du tableau, gain à droite : la géographie du tableau raconte la chimie.

La figure met côte à côte deux bilans : Na perd un électron, Cl en gagne un. Lisez les comptes de protons et d'électrons : Na+ garde 11 protons pour 10 électrons ; Cl− garde 17 protons pour 18 électrons. Les cercles sont une représentation de comptage, pas des orbites physiques.

La grille souligne les alcalins, les halogènes et les gaz nobles. H est séparé des alcalins. Les textures distinguent les groupes sans dépendre uniquement de la couleur. Le bandeau résume les ions usuels du corpus ; « pas d'ion usuel » pour les gaz nobles n'interdit pas leur ionisation dans d'autres contextes.

Dans chaque bilan, c'est la composition du noyau qui est conservée ; le dessin ne signifie pas que l'atome reste immobile dans l'espace.