Entités stables : les ions monoatomiques

Certains éléments se trouvent sous forme d’ions monoatomiques et non sous forme atomique car ils deviennent alors plus stables, comme les gaz nobles.

I Gaz nobles et configuration électronique

L’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon et le radon forment la famille des gaz rares (18^e colonne de la classification). Ils sont caractérisés par leur très grande inertie chimique (ils ne réagissent jamais avec un autre composé), d’où les qualificatifs de rares ou d’inertes qui leur sont quelquefois donnés.

Cette inertie chimique ou stabilité s’explique par l’existence d’une couche électronique externe en duet (2 électrons pour l’hélium) ou en octet (8 électrons) :

• hélium He Z = 2 1s² soit 2 électrons de valence : duet ;

• néon Ne Z = 10 1s² 2s² 2p⁶soit 8 électrons de valence sur L : octet ;

• argon Ar Z = 18 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶soit 8 électrons de valence sur M : octet.

II Stabilité d’un ion monoatomique

C’est le nombre d’électrons de la couche externe d’un élément qui indique s’il est réactif ou stable.

Dans la nature, tous les éléments « tendent à » devenir stables. Pour y parvenir, il leur faut perdre ou gagner des électrons et ainsi acquérir la configuration électronique externe en duet ou en octet d’un gaz noble.

Règles de stabilité (ou règles du duet et de l’octet) :

• Les atomes dont le numéro atomique est proche de 2 cherchent à obtenir une couche externe saturée en duet 1s² (celle de l’hélium).

• Les autres atomes cherchent à obtenir une couche électronique externe saturée en octet, ns² np⁶(qui est celle du gaz noble le plus proche dans la classification : néon ou argon).

Ces règles permettent de rendre compte des charges des ions monoatomiques stables existant dans la nature.

Exemples :

• L’atome de lithium Li (Z = 3) : 1s² 2s¹ cherche à obtenir la configuration saturée en duet : 1s². Pour cela il doit perdre un électron et devenir l’ion lithium Li+.

Repère
À noter

Pour connaître l’ion monoatomique le plus stable, il faut « ôter » ou « ajouter » le moins d’électrons possible.

• Le soufre S (Z = 16) de configuration électronique : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ cherche à obtenir la configuration saturée en octet : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ (celle de l’argon). Pour cela, il doit gagner deux électrons et devenir l’ion sulfure S^2–.

MéthodeDéterminer la configuration électronique d’un ion monoatomique

Quel ion monoatomique stable donnera l’atome d’aluminium $\text{A}_{13}^{27}l?$

Repère
Conseils

Suivez ces 3 étapes.

Étape 1. Établissez la configuration électronique de l’atome d’aluminium et déterminez le nombre d’électrons sur sa couche externe.

Étape 2. Pour déterminer la configuration électronique de l’ion, il faut satisfaire à la règle de stabilité : il faut « ôter » ou « ajouter » le moins d’électrons possible pour saturer la couche externe (règle du duet ou de l’octet).

Étape 3. Déduisez-en la charge de l’ion et donnez son symbole.

Solution

Étape 1. L’atome d’aluminium (Z = 13) de configuration électronique :

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ a 3 électrons de valence sur sa couche externe M.

Étape 2. Pour acquérir une configuration stable en octet (8 électrons), l’aluminium peut :

– soit gagner 5 électrons sur la couche M : 3s² 3p⁶et ainsi obtenir une couche M à 8 électrons comme le gaz rare argon ;

– soit perdre 3 électrons de la couche M et ainsi saturer sa couche externe L 2s² 2p⁶ à 8 électrons comme le gaz rare néon.

Du point de vue énergétique il est plus facile d’« ôter » 3 électrons que d’en « ajouter » 5 ! L’atome d’aluminium va donc perdre 3 électrons. L’ion aluminium a la configuration électronique : 1s² 2s² 2p⁶,qui satisfait à la règle de l’octet.

À noter

À chaque électron perdu apparaît une charge positive (+ e) sur l’ion.

À chaque électron gagné apparaît une charge négative (– e) sur l’ion.

Étape 3. Le nombre de protons est le même pour l’ion aluminium que pour l’atome car seul le nombre d’électrons est modifié.

Il y a toujours Z protons de charge élémentaire e soit la charge positive Ze.

Dans l’atome, il y a Z électrons qui correspondent à une charge négative –Ze

L’atome d’aluminium a perdu 3 électrons, il apparaît donc 3 charges positives (+3e) sur l’ion aluminium. Cette charge est notée 3+. L’ion Aℓ³+ a la configuration électronique stable : 1s² 2s² 2p⁶,qui correspond à celle du néon.