Classification périodique des éléments chimiques
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• expliquer la démarche de Mendeleïev et les critères de la classification actuelle ;
• classer les 18 premiers éléments en périodes et en colonnes à partir de leur structure électronique ;
• exploiter le tableau pour dégager la notion de famille (alcalins, alcalino-terreux, halogènes, gaz rares) ;
• retrouver la charge de quelques ions monoatomiques et le nombre de liaisons des éléments des familles du carbone, de l'azote, de l'oxygène et du fluor ;
• décrire la variation de l'électronégativité dans le tableau.
Prérequis : numéro atomique, formule électronique, électrons de valence, règles du duet et de l'octet.
Situation de départ
Dans un calendrier, les jours sont rangés selon deux critères : leur date, qui augmente, et leur nom, qui revient dans la même colonne chaque semaine. Un simple coup d'œil suffit pour savoir que le 15 et le 22 du mois tombent le même jour.
On connaît aujourd'hui 118 éléments. Peut-on les ranger de la même façon, pour que les éléments aux propriétés semblables se retrouvent dans une même colonne ?
I. Les travaux de Mendeleïev
En 1869, le chimiste russe Dimitri Mendeleïev (1834-1907) range les 63 éléments alors connus par masse molaire atomique croissante, en plaçant côte à côte ceux qui ont des propriétés chimiques voisines (par exemple le lithium, le sodium et le potassium, qui réagissent tous violemment avec l'eau).
Son génie : il laisse des cases vides pour des éléments encore inconnus et prévoit leurs propriétés. Il estime par exemple la masse molaire d'un élément par la moyenne de celles des quatre éléments qui l'entourent.
Le gallium (1875) et le germanium (1886), découverts après la publication du tableau, avaient presque exactement les propriétés prévues. Mais le classement par masse molaire pose des problèmes : l'argon (39,9 g.mol-1) est plus lourd que le potassium (39,1 g.mol-1), qui doit pourtant le suivre. Le critère actuel, le numéro atomique Z, n'a été compris qu'en 1913.
II. Le tableau périodique actuel
1. Les critères de classement
Aujourd'hui, les éléments sont rangés par numéro atomique Z croissant, en lignes appelées périodes (7 au total) et en colonnes appelées groupes (18 dans le tableau complet). Pour les 18 premiers éléments, on utilise un tableau simplifié de 3 lignes et 8 colonnes.
2. Périodes et colonnes
• Une période regroupe les éléments dont les atomes ont le même nombre de couches occupées : c'est la même couche externe qui se remplit progressivement. Le numéro de la période est égal à ce nombre de couches. La 1re période ne compte que 2 éléments (la couche K est saturée à 2 électrons), la 2e en compte 8 (couche L saturée à 8).
• Une colonne regroupe les éléments dont les atomes ont le même nombre d'électrons externes ; le numéro de la colonne est égal à ce nombre. Seul l'hélium (2 électrons externes) est placé dans la colonne VIII, avec les gaz rares, car sa couche externe est saturée.
Le soufre S (K)2(L)8(M)6 a 3 couches occupées et 6 électrons externes : il est dans la 3e période et la colonne VI. Le lithium (K)2(L)1 et le sodium (K)2(L)8(M)1 sont dans la même colonne I.
III. Utiliser la classification
1. Les familles chimiques
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