Karamö, le prof virtuelLeçon 4 sur 22
La valence d'un élément chimique
Je sais ce qu'est la valence d'un élément, je connais la valence des éléments courants et je l'utilise pour écrire des formules chimiques justes.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir la valence d'un élément à partir de l'hydrogène
- Connaître la valence des éléments usuels
- Écrire la formule développée d'une molécule simple
- Trouver la formule d'un composé de deux éléments avec la règle des valences
Avant de commencer : Les symboles et formules chimiques, la molécule (8e) ; le tableau périodique des 20 premiers éléments.
1Je découvre
À Fria, l'usine transforme la bauxite en une poudre blanche : l'alumine. Sur le sac, Sékou lit la formule Al2O3. Il demande à son grand frère Alpha, élève de 10e : « Pourquoi 2 atomes d'aluminium et 3 atomes d'oxygène ? Pourquoi pas AlO, tout simplement ? »
Alpha lui montre d'autres formules connues : H2O pour l'eau, CO2 pour le dioxyde de carbone, NH3 pour l'ammoniac, CH4 pour le méthane. Le carbone s'associe à 4 hydrogènes, l'azote à 3, l'oxygène à 2… Chaque atome semble avoir un nombre précis de « mains » pour s'accrocher aux autres.
Qu'est-ce qui fixe le nombre d'atomes dans une formule chimique, et comment écrire la formule juste d'un composé ?
2Je comprends
1. Les liaisons entre atomes
Dans une molécule, les atomes sont unis par des liaisons chimiques. On représente une liaison par un petit trait entre les symboles.
L'atome d'hydrogène ne peut former qu'une seule liaison. On le prend donc comme référence.
2. Définition de la valence
La valence d'un élément est le nombre de liaisons que peut former un atome de cet élément. C'est aussi le nombre d'atomes d'hydrogène avec lesquels un atome de cet élément peut se combiner (ou qu'il peut remplacer).
On peut imaginer que chaque atome possède un nombre de « mains » égal à sa valence. Dans une molécule, chaque main tient une autre main : il ne reste aucune main libre.
| Composé | Formule | Nombre de H liés à l'atome central | Valence de l'élément central |
|---|---|---|---|
| chlorure d'hydrogène | HCl | 1 | Cl : 1 |
| eau | H2O | 2 | O : 2 |
| ammoniac | NH3 | 3 | N : 3 |
| méthane | CH4 | 4 | C : 4 |
On dit que l'hydrogène et le chlore sont monovalents, l'oxygène est divalent, l'azote trivalent, le carbone tétravalent.
3. Valence des éléments usuels
| Valence | Éléments |
|---|---|
| 1 (monovalent) | H, Na, K, Cl, F |
| 2 (divalent) | O, Mg, Ca, S (dans H2S), Zn, Cu (le plus souvent) |
| 3 (trivalent) | Al, N (dans NH3) |
| 4 (tétravalent) | C, Si |
Remarque : certains éléments peuvent avoir plusieurs valences. Le fer a la valence 2 dans FeO et la valence 3 dans Fe2O3 (la rouille en contient). Le soufre a la valence 2 dans H2S et la valence 4 dans SO2. Le carbone a la valence 4 dans CO2 mais on écrit aussi CO (monoxyde de carbone, gaz très toxique). Dans ce cas, l'énoncé précise la valence.
Pour les éléments des colonnes I à IV du tableau, la valence est souvent égale au numéro de la colonne (Na : I → 1 ; Mg : II → 2 ; Al : III → 3 ; C : IV → 4). Pour les colonnes V à VII, elle est souvent égale à 8 moins le numéro de la colonne (N : 8 − 5 = 3 ; O : 8 − 6 = 2 ; Cl : 8 − 7 = 1). Tu comprendras pourquoi dans la prochaine leçon, avec les électrons périphériques. Les gaz rares (colonne VIII) ont une valence nulle : ils ne forment pas de liaisons.
4. La formule développée
La formule brute indique seulement le nombre d'atomes de chaque sorte (H2O). La formule développée montre toutes les liaisons par des traits.
- Eau H2O : H–O–H. L'oxygène a 2 traits, chaque hydrogène 1 trait.
- Méthane CH4 : un C au centre relié par 4 traits à 4 H.
- Dioxyde de carbone CO2 : O=C=O. Le carbone utilise ses 4 liaisons (deux doubles liaisons) ; chaque oxygène en utilise 2.
Exemple
Vérifier la formule de l'ammoniac NH₃ avec les valences.
- N a la valence 3 : il peut former 3 liaisons.
- Chaque H a la valence 1 : il forme 1 liaison.
- On relie N à trois H : chaque H utilise sa seule liaison, N utilise ses 3 liaisons.
- Aucune liaison ne reste libre : la formule NH₃ est juste.
5. Trouver une formule avec la règle des valences
Pour un composé formé de deux éléments A (valence a) et B (valence b), le nombre total de liaisons données par A doit être égal au nombre total de liaisons données par B :
(nombre d'atomes de A) × a = (nombre d'atomes de B) × b.
On obtient la formule par la méthode du chassé-croisé : la valence de l'un devient l'indice de l'autre.
Méthode
Pour écrire la formule d'un composé de deux éléments :
- J'écris les symboles, le métal (ou l'hydrogène) en premier : Al et O.
- J'écris la valence au-dessus de chaque symbole : Al (3) ; O (2).
- Je croise : la valence de Al devient l'indice de O, la valence de O devient l'indice de Al : Al₂O₃.
- Je simplifie les indices s'ils ont un diviseur commun (C₂O₄ devient CO₂).
- Je vérifie : nombre de liaisons de chaque côté égal (2 × 3 = 3 × 2 = 6). L'indice 1 ne s'écrit pas.
- 1J'écris les symboles : Al et O.
- 2Je note les valences : Al a la valence 3, O a la valence 2.
- 3Je croise : 2 devient l'indice de Al, 3 devient l'indice de O.
- 4J'obtiens Al₂O₃ et je vérifie : 2 × 3 = 6 liaisons, 3 × 2 = 6 liaisons.
Exemple
Écrire la formule du chlorure de calcium, du sulfure de sodium et de l'oxyde de magnésium.
Chlorure de calcium : Ca (valence 2) et Cl (valence 1). Chassé-croisé : Ca₁Cl₂, soit CaCl₂. Vérification : 1 × 2 = 2 × 1.
Sulfure de sodium : Na (valence 1) et S (valence 2). Chassé-croisé : Na₂S₁, soit Na₂S. Vérification : 2 × 1 = 1 × 2.
Oxyde de magnésium : Mg (valence 2) et O (valence 2). Chassé-croisé : Mg₂O₂, on simplifie par 2 : MgO. Vérification : 1 × 2 = 1 × 2.
Exemple
Quelle est la valence du fer dans l'oxyde Fe₂O₃ ?
Liaisons données par l'oxygène : 3 × 2 = 6.
Ces 6 liaisons sont partagées entre 2 atomes de fer : 6 ÷ 2 = 3.
Le fer a la valence 3 dans Fe₂O₃.
Retour à la question de Sékou : l'aluminium a 3 « mains » et l'oxygène 2. Pour que toutes les mains soient prises, il faut 6 liaisons de chaque côté : 2 atomes d'aluminium (2 × 3 = 6) et 3 atomes d'oxygène (3 × 2 = 6). La formule AlO laisserait une liaison libre : elle est fausse.
3Je retiens
Je retiens
La valence d'un élément = nombre de liaisons qu'un de ses atomes peut former = nombre d'atomes d'hydrogène avec lesquels il peut se combiner.
Valence 1 : H, Na, K, Cl, F. Valence 2 : O, Mg, Ca, S, Zn. Valence 3 : Al, N. Valence 4 : C, Si.
Dans une molécule, toutes les liaisons sont utilisées : aucune « main » libre.
Règle : (nombre d'atomes de A) × valence de A = (nombre d'atomes de B) × valence de B.
Chassé-croisé : la valence de l'un devient l'indice de l'autre, puis on simplifie.
Certains éléments ont plusieurs valences (Fe : 2 ou 3 ; S : 2, 4 ou 6).
4Erreurs fréquentes
- Oublier de simplifier : l'oxyde de calcium s'écrit CaO, et non Ca₂O₂.
- Écrire l'indice 1 : on écrit NaCl, et non Na₁Cl₁.
- Croiser les indices sans connaître les valences : il faut d'abord écrire la bonne valence de chaque élément.
- Confondre valence et nombre d'atomes : dans H₂O, le 2 est le nombre d'atomes d'hydrogène ; c'est aussi la valence de O, mais la valence de H reste 1.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Donne, en justifiant, la valence du soufre dans H2S, du silicium dans SiH4, du phosphore dans PH3 et du brome dans HBr.
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- Dans H2S, le soufre est lié à 2 atomes d'hydrogène : valence 2.
- Dans SiH4, le silicium est lié à 4 atomes d'hydrogène : valence 4.
- Dans PH3, le phosphore est lié à 3 atomes d'hydrogène : valence 3.
- Dans HBr, le brome est lié à 1 atome d'hydrogène : valence 1.
2Exercice 2
Écris la formule développée des molécules suivantes : H2O, NH3, CH4, CO2, HCl.
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- H2O : H–O–H.
- NH3 : l'azote au centre, relié par un trait à chacun des 3 atomes d'hydrogène.
- CH4 : le carbone au centre, relié par un trait à chacun des 4 atomes d'hydrogène.
- CO2 : O=C=O (deux doubles liaisons).
- HCl : H–Cl.
3Exercice 3
À l'aide des valences, écris la formule des composés suivants :
a) oxyde de sodium (Na et O) ;
b) chlorure d'aluminium (Al et Cl) ;
c) oxyde de calcium (Ca et O) ;
d) sulfure d'aluminium (Al et S, le soufre ayant la valence 2) ;
e) nitrure de magnésium (Mg et N, l'azote ayant la valence 3).
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a) Na (1), O (2) : Na2O. Vérification : 2 × 1 = 1 × 2.
b) Al (3), Cl (1) : AlCl3. Vérification : 1 × 3 = 3 × 1.
c) Ca (2), O (2) : Ca2O2, on simplifie : CaO.
d) Al (3), S (2) : Al2S3. Vérification : 2 × 3 = 3 × 2 = 6.
e) Mg (2), N (3) : Mg3N2. Vérification : 3 × 2 = 2 × 3 = 6.
4Exercice 4
Trouve la valence du métal dans chacun des composés : CuO ; Cu2O ; FeCl3 ; ZnCl2.
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- CuO : l'oxygène donne 1 × 2 = 2 liaisons pour 1 atome de cuivre : valence 2.
- Cu2O : l'oxygène donne 2 liaisons pour 2 atomes de cuivre : 2 ÷ 2 = 1, valence 1.
- FeCl3 : le chlore donne 3 × 1 = 3 liaisons pour 1 atome de fer : valence 3.
- ZnCl2 : le chlore donne 2 × 1 = 2 liaisons pour 1 atome de zinc : valence 2.
5Exercice 5
(Type examen) Le dioxyde de soufre SO2 se forme quand on brûle du soufre ; le trioxyde de soufre SO3 sert à fabriquer l'acide sulfurique.
a) Rappelle la valence de l'oxygène.
b) Calcule la valence du soufre dans SO2, puis dans SO3.
c) Que peut-on dire de la valence du soufre ?
d) L'hydrogène sulfuré (gaz à odeur d'œuf pourri) a pour formule H2S. Quelle est la valence du soufre dans ce gaz ? Écris sa formule développée.
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a) L'oxygène a la valence 2.
b) Dans SO2 : 2 × 2 = 4 liaisons pour 1 atome de soufre, valence 4. Dans SO3 : 3 × 2 = 6 liaisons, valence 6.
c) Le soufre peut avoir plusieurs valences (2, 4 ou 6 selon le composé).
d) Dans H2S, le soufre est lié à 2 atomes d'hydrogène : valence 2. Formule développée : H–S–H.
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6Je vérifie
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