Les règles de stabilité



Cours de chimie niveau seconde – Constitution et transformations de la matière – Partie 1: de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique – B) Modélisation de la matière à l’échelle microscopique – Vers des entités plus stables chimiquement.

Qu’est-ce qu’une espèce chimique stable ?

D’une manière générale un système (chimique ou physique) est qualifié de stable s’il tend à ne subir aucune évolution spontanée: il reste tel qu’il est, il ne change pas de lui même, les grandeurs qui le caractérisent gardent une valeur constante au cours du temps et toute perturbation modérée est suivie d’un retour à l’état initial.

En chimie une espèce chimique (moléculaire, ionique ou atomique) est considérée comme stable si elle conserve sa composition et sa structure et ne se transforme pas spontanément en une autre espèce chimique.

En terme d’énergie un système est considéré comme stable s’il est caractérisé par une énergie minimale.

Remarque

Les conditions de stabilité d’une espèce chimique dépendent en partie de son environnement chimique et des grandeurs physiques (température, pression…) qui le caractérise.

A quoi servent les règles de stabilité ?

Les règles de stabilité permettent:

  • de déterminer si une espèce chimique est stable et peut donc subsister de manière prolongé au sein d’un système chimique (si elle n’est pas stable cela signifie qu’elle va vite se transformer et disparaitre)
  • de prévoir l’évolution possible d’une espèce chimique instable (les règles de stabilité permettent de déterminer les espèces chimiques stables qu’elle peut former)

Une référence de stabilité: les gaz nobles

Les gaz nobles constituent une référence en matière de stabilité chimique (voir fiche de cours “Les gaz nobles”), les éléments de cette familles existent uniquement sous d’atomes qui n’évoluent ni pour former des ions ni pour former des molécules. Cette stabilité exceptionnelle est liée à une particularité de leur configuration électronique: ils ont tous une couche de valence saturée, en d’autres termes leur dernière couche électronique héberge le maximum d’électrons possible.

Les règles de stabilité s’appuient sur cette particularité et la généralise aux autre espèces chimiques

Enoncé des règles de stabilité

Une entité monoatomique (isolée ou au sein d’une molécule) est stable si sa configuration électronique est identique au gaz noble dont elle est le plus proche.
En d’autres termes un ion ou l’atome d’une molécule est stable avec une couche de valence saturée remplie avec le minimum de changement par rapport à la configuration de la forme atomique.
Ces règles de stabilités on permis de formuler les règles du duet de l’octet. (voir cours règles du duet et de l’octer”)
Comment savoir si un ion est stable ?
Un ion est stable si son défaut ou son excès d’électrons lui permet d’obtenir une couche de valence saturée.



  • Si un atome possède une couche de valence presque pleine l’ion stable qu’il forme sera obtenu en gagnant les électrons qui permettent de compléter cette couche de valence: il se transforme alors en anion (ion négatif)
  • Si un atome possède une couche de valence presque vide il va au contraire former un ion stable en vidant cette couche, la couche inférieure devient alors la couche de valence. Dans ce cas l’ion formé possède un défaut d’électron: il s’agit d’un cation (un ion positif)

Remarque
Un atome qui nécessiterait un gain ou une perte de plus de trois électrons pour obtenir une couche de valence saturée ne peut former qu’un ion dont la stabilité est limité et qui n’existe en général pas en solution aqueuse. Par exemple l’ion carbure (C4-) peut se trouver dans certains solides ioniques mais ne peut exister en solution aqueuse.

Exemple: ion stable formé par l’atome de soufre

L’atome de soufre (Z=16) possède 16 électrons et sa configuration électronique est 1s22s22p63s23p.Sa couche de valence est la couche n°3, elle est presque pleine puisqu’il ne manque que deux électrons par conséquent l’ion stable du soufre (appelé ion sulfure) se forme grâce à un gain de deux électrons.

L’ion stable du soufre a pour formule chimique S2- et possède un total de 16 électrons, sa configuration électronique devient: 1s22s22p63s23p6 avec une couche n°3 saturée

Exemple: ion stable formé par l’atome de sodium

L’atome de sodium (Z=11) possède 11 électrons qui se répartissent suivant la configuration électronique 1s22s22p63s1 . Sa couche externe est la couche n°3, elle n’accueille qu’un seul électron. Pour former un ion stable l’atome de sodium perd l’unique électron de cette couche qui perd alors le titre de “couche de valence”.
La nouvelle couche de valence est la couche n°2, elle saturée, l’ion sodium possède un total de 10 électrons répartis suivant la configuration électronique 1s22s22p sa formule est Na+.

Liste d’ions stables

Voici une liste d’ions stables dont la configuration électronique et la formule peuvent être déterminées à partir des règles de stabilité.

Atome Ion stable
Nom Nom Formule chimique Configuration électronique
Hydrogène Ion hydrogène H+ (est une exception aux règles de stabilité ) 1s0

Ion hydrure H ( n’est pas stable en solution aqueuse) 1s2
Hélium Ne forme pas d’ion stable
Lithium Ion lithium Li+ 1s2
Béryllium Ion béryllium Be2+ 1s2
Bore Ion bore B3+ 1s2
Carbone Ion carbure C4- 1s22s22p6
Azote Ne forme pas d’ion stable
Oxygène Ion oxyde O2- 1s22s22p6
Fluor Ion fluorure F 1s22s22p6
Néon Ne forme pas d’ion stable
Sodium Ion sodium Na+ 1s22s22p6
Magnésium Ion magnésium Mg2+ 1s22s22p6
Aluminium Ion aluminium Al3+ 1s22s22p6
Silicium Ion silicium Si4+ 1s22s22p6
Phosphore Ion phosphore P3- (n’est pas stable en solution aqueuse) 1s22s22p63s23p6
Soufre Ion sulfure S2- 1s22s22p63s23p6
Chlore Ion chlorure Cl 1s22s22p63s23p6
Argon Ne forme pas d’ion stable
Potassium Ion potassium K+ 1s22s22p63s23p6
Calcium Ion calcium Ca2+ 1s22s22p63s23p6

Comment savoir si une molécule est stable?

Pour qu’une molécule soit stable il est nécessaire que chacun de ses atomes soit stable.

Un atome est stable dans une molécule si les liaisons covalentes qu’il forme lui permettent de saturer sa couche de valence.

Chaque liaison covalente formée lui permet de bénéficier d’un électron supplémentaire par conséquent chaque atome est stabe s’il forme autant de liaisons qu’il y a d’électrons manquant pour saturer sa couche de valence.

Exemples

  • L’atome de carbone a pour configuration électronique 1s22s22p2, il manque 4 électrons à sa couche de valence (la couche n°2) pour qu’elle soit pleine, le carbone doit donc former 4 liaisons covalentes pour être stable.
  • L’atome de fluor a pour configuration électronique 1s22s22p5, il lui manque seulement un électron pour compléter sa couche de valence (la couche n°2) par conséquent l’atome de fluor n’est stable que s’il forme une liaison covalente.

Voici en résumé le nombre de liaisons de covalence formé par les principaux atomes pour atteindre la stabilité

Atome Nombre de liaisons permettant d’atteindre la stabilité
Hydrogène 1
Hélium Ne forme pas de liaison de covalence
Lithium Ne forme pas de liaison de covalence
Béryllium Ne forme pas de liaison de covalence
Bore Ne forme pas de liaison de covalence
Carbone 4
Azote 3
Oxygène 2
Fluor 1
Néon Ne forme pas de liaison de covalence
Sodium Ne forme pas de liaison de covalence
Magnésium Ne forme pas de liaison de covalence
Aluminium Ne forme pas de liaison de covalence
Silicium 4
Phosphore 3
Soufre 2
Chlore 1
Argon Ne forme pas de liaison de covalence
Potassium Ne forme pas de liaison de covalence
Calcium Ne forme pas de liaison de covalence

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