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La classification périodique des éléments
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Introduction :
La classification périodique des éléments est un outil précieux car elle contient les principales informations concernant chaque élément chimique.
Nous verrons tout d’abord comment la classification périodique a été mise en place. Puis, nous étudierons les grandes familles chimiques qui la composent. Enfin, nous verrons comment utiliser la classification périodique pour prévoir le comportement d’un élément chimique.
Mise en place de la classification périodique
Historique
Au cours du temps, les chimistes ont réussi à identifier de plus en plus d’éléments chimiques.
Au milieu du XIXe siècle, 63 éléments étaient connus et les chimistes ont découvert que certains d’entre eux avaient les mêmes propriétés.
Mendeleïev entreprit donc en 1869 de classer ces 63 éléments connus dans un tableau.
Classification périodique actuelle
C’est ce tableau de Mendeleïev qui a servi de base à la construction de la classification périodique actuelle.
Aujourd’hui, la classification périodique comporte 18 colonnes et 7 lignes. Les éléments sont classés par numéro atomique croissant.
Dans la classification périodique, chaque élément est noté sous la forme :
Au dessous du symbole chimique sont indiqués le nom de l’élément ainsi que sa masse molaire atomique exprimée en gramme par mole ().
La construction de la classification périodique est basée sur le remplissage progressif des couches électroniques des atomes. À chaque ligne, on remplit une couche électronique différente. Une ligne est appelée période.
Les atomes des éléments d’une même ligne ont le même nombre de couches électroniques occupées.
En seconde, la construction de la classification périodique est limitée aux 3 premières lignes.
Dans la classification périodique, les atomes situés dans une même colonne ont le même nombre d’électrons sur leur couche électronique externe (ou dernière couche).
Ainsi, si on considère uniquement les 3 premières lignes de la classification périodique (le remplissage des couches se complexifiant à partir de la 4e ligne), on peut dire que :
On passe ensuite à la 13e colonne car il n’y a pas d’éléments de la 3e à la 12e colonne :
Les éléments d’une même colonne forment une même famille chimique et possèdent des propriétés chimiques similaires.
On distingue 4 grandes familles chimiques :
Les familles chimiques
Famille des alcalins et cas particulier de l’hydrogène
La famille des alcalins regroupe les éléments de la première colonne mis à part l’hydrogène. Les alcalins sont des métaux mous et légers, présents dans la nature sous forme d’ions.
Les alcalins ont un électron sur leur couche externe, qu’ils perdent facilement par oxydation au contact de l’air, ce qui donne des ions avec une charge positive. Ils sont aussi très réactifs avec l’eau et sont d’ailleurs à l’origine de sa salinité.
On peut facilement identifier les ions alcalins grâce au test de la flamme. En effet quand on les met dans une flamme, ils la colorent.
L’élément hydrogène est un cas particulier car, bien que situé dans la première colonne, il ne fait pas partie de la famille des alcalins.
L’élément hydrogène est extrêmement abondant sur Terre, et c’est l’élément le plus abondant dans l’univers.
Il est présent dans la nature sous la forme de la molécule diatomique dihydrogène . C’est un gaz incolore et inodore. Il est aussi présent sous forme d’ion avec une charge positive .
Les ions sont responsables de l’acidité d’une solution. Plus une solution contient d’ions , plus elle est acide.
L’acidité d’une solution est définie par son pH.
Une solution acide a un pH inférieur à 7, elle est neutre quand le pH vaut 7 et elle est basique quand le pH est supérieur à 7.
Famille des alcalino-terreux
La famille des alcalino-terreux regroupe les éléments de la deuxième colonne. Comme les alcalins, les alcalino-terreux sont très réactifs et sont présents dans la nature sous forme d’ions.
Les alcalino-terreux ont 2 électrons sur leur couche externe, qu’ils perdent facilement par oxydation au contact de l’air pour donner des ions avec 2 charges positives.
Famille des halogènes
La famille des halogènes regroupe les éléments de la 17e colonne.
Les halogènes ont 7 électrons sur leur couche externe et vont facilement en gagner un pour former des ions avec une charge négative.
Dans la nature, les halogènes se trouvent sous forme d’ions ou sous forme de molécules diatomiques fortement toxiques.
Famille des gaz rares ou nobles
La famille des gaz rares regroupe les éléments de la 18e et dernière colonne. Les gaz rares sont les éléments chimiques les plus stables. Ils sont inerte chimiquement, c’est-à-dire qu’ils ne participent à aucune réaction chimique.
Les gaz rares ont 8 électrons sur leur couche externe. Ils ne forment pas d’ions ni de molécules.
Ils sont très peu présents dans l’atmosphère terrestre mis à part l’hélium, qui est le deuxième élément le plus abondant dans l’univers après l’hydrogène.
Concernant les autres colonnes ou familles de la classification périodique, elles ne possèdent pas de nom particulier et sont désignées en utilisant le nom du premier élément de la colonne.
Utilisation de la classification périodique
D’après les règles du duet et de l’octet, les atomes gagnent ou perdent des électrons pour acquérir la structure électronique stable du gaz rare le plus proche d’eux dans la classification périodique.
La classification périodique indique donc comment va se comporter un atome donné.
Les atomes d’une même colonne ou famille se comportent de la même manière puisqu’ils ont le même nombre d’électrons sur leur couche externe.
Application à la formation des ions monoatomiques
La classification périodique permet de connaître l’ion qu’un atome donné va former au cours d’une réaction chimique.
Pour suivre les règles du duet et de l’octet, les atomes appartenant à une même colonne ou famille vont former des ions monoatomiques stables de même charge électrique.
Certains atomes vont gagner des électrons et former des ions de charge négative.
Application à la formation des molécules
La classification périodique permet également de connaître le nombre de liaisons qu’un atome donné peut établir avec d’autres éléments pour former une molécule.
Les atomes appartenant à une même colonne ou famille établissent le même nombre de liaisons covalentes (doublets liants) dans une molécule. Ils ont aussi le même nombre de doublets non-liants (c’est-à-dire de paires d’électrons propres à l’atome et non disponibles pour former une liaison).
Ainsi si on considère les trois premières lignes de la classification périodique (le remplissage des couches se complexifiant à partir de la 4e ligne), on peut dire que :