Cours : La classification périodique des éléments

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 XIX^e 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.

• Il proposa un classement des éléments par masse atomique croissante mais également selon leurs propriétés chimiques et physiques.

Classification périodique actuelle

C’est ce tableau de Mendeleïev qui a servi de base à la construction de la classification périodique actuelle.

À retenir

Aujourd’hui, la classification périodique comporte 18 colonnes et 7 lignes. Les éléments sont classés par numéro atomique $Z$ croissant.

• Un élément chimique regroupe l’atome avec ses isotopes et ses ions.

Dans la classification périodique, chaque élément est noté sous la forme $^{A}_{Z}X$ :

• $X$ est le symbole chimique de l’élément ;
• $Z$ est son numéro atomique (soit le nombre de protons et d’électrons) ;
• et $A$ est son nombre de nucléons (la somme des protons et des neutrons).

Au dessous du symbole chimique sont indiqués le nom de l’élément ainsi que sa masse molaire atomique exprimée en gramme par mole ($g \cdot mol^{-1}$).

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.

À retenir

Les atomes des éléments d’une même ligne ont le même nombre de couches électroniques occupées.

Astuce

En seconde, la construction de la classification périodique est limitée aux 3 premières lignes.

• Dans la première ligne, on remplit la couche $K$.
• Comme la couche $K$ ne peut contenir que 2 électrons, la première ligne ne contient que 2 éléments :
• l’atome d’hydrogène $H$ qui a 1 électron,
• et l’atome d’hélium $He$ qui a 2 électrons.
• Dans la deuxième ligne, on remplit la couche $L$.
• La couche $L$ contient au maximum 8 électrons, elle contient donc 8 éléments :
• le premier élément de la deuxième ligne est l’atome de lithium $Li$. Il a 3 électrons, dont 2 électrons sur la couche $K$ et 1 électron sur la couche $L$. Sa structure électronique est $(K)^2(L)^1$ ;
• le deuxième élément est l’atome de béryllium $Be$. Il a 4 électrons, dont 2 électrons sur la couche $K$ et 2 électrons sur la couche $L$, sa structure électronique est $(K)^2(L)^2$ ;
• et ainsi de suite jusqu’au 8^e et dernier élément de la deuxième ligne, qui est l’atome de néon $Ne$. Il a 10 électrons, dont 2 électrons sur la couche $K$ et 8 électrons sur la couche $L$, sa structure électronique est $(K)^2(L)^8$.
• Dans la troisième ligne, on commence à remplir la couche $M$.
• On s’arrête quand la couche $M$ contient 8 électrons (alors que la couche $M$ peut contenir 18 électrons en tout). En effet à partir de 8 électrons sur la couche $M$, le remplissage des couches électroniques fait appel à une notion complexe de sous-couches électroniques. On a donc également 8 éléments sur la 3^e ligne :
• le premier élément de la troisième ligne est l’atome de sodium $Na$. Il a 11 électrons, dont 2 électrons sur la couche $K$, 8 électrons sur la couche $L$ et 1 électron sur la couche $M$. Sa structure électronique est $(K)^2(L)^8(M)^1$ ;
• le deuxième élément de la troisième ligne est l’atome de magnésium $Mg$. Il a 12 électrons, dont 2 électrons sur la couche $K$, 8 électrons sur la couche $L$ et 2 électrons sur la couche $M$. Sa structure électronique est $(K)^2(L)^8(M)^2$ ;
• et ainsi de suite jusqu’au 8^e et dernier élément de la troisième ligne qui est l’atome d’argon $Ar$. Il a 18 électrons, dont 2 électrons sur la couche $K$, 8 électrons sur la couche $L$, et 8 électrons sur la couche $M$. Sa structure électronique est $(K)^2(L)^8(M)^8$.

À retenir

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 4^e ligne), on peut dire que :

• tous les atomes de la première colonne ont 1 électron sur leur couche externe ;
• tous les atomes de la 2^e colonne ont 2 électrons sur leur couche externe.

On passe ensuite à la 13^e colonne car il n’y a pas d’éléments de la 3^e à la 12^e colonne :

• tous les atomes de la 13^e colonne ont 3 électrons sur leur couche externe ;
• tous les atomes de la 14^e colonne ont 4 électrons sur leur couche externe ;
• et ainsi de suite jusqu’à la 18^e colonne où tous les atomes ont 8 électrons sur leur couche externe.

À retenir

Les éléments d’une même colonne forment une même famille chimique et possèdent des propriétés chimiques similaires.

On distingue 4 grandes familles chimiques :

• la famille des alcalins,
• la famille des alcalino-terreux,
• la famille des halogènes,
• et la famille des gaz rares ou nobles.

Les familles chimiques

Famille des alcalins et cas particulier de l’hydrogène

À retenir

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.

• Ainsi, l’atome de sodium $Na$ donne l’ion sodium $Na^+$ et l’atome de potassium $K$ donne l’ion potassium $K^+$.

Astuce

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.

• Ainsi, une flamme se colore en jaune en présence d’ion sodium $Na^+$ ou en violet-rose en présence d’ion potassium $K^+$.

Attention

L’élément hydrogène $H$ 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 $H_2$. C’est un gaz incolore et inodore. Il est aussi présent sous forme d’ion avec une charge positive $H^+$.

Les ions $H^+$ sont responsables de l’acidité d’une solution. Plus une solution contient d’ions $H^+$, plus elle est acide.

À retenir

L’acidité d’une solution est définie par son pH.

• On mesure le pH d’une solution avec du papier pH ou un appareil appelé pH-mètre.

À retenir

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

À retenir

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.

• Ainsi, l’élément magnésium $Mg$ se trouve sous forme d’ion magnésium $Mg^{2+}$ et l’élément calcium $Ca$ se trouve sous forme d’ion calcium $Ca^{2+}$.

Famille des halogènes

À retenir

La famille des halogènes regroupe les éléments de la 17^e 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.

• Ainsi, le fluor se trouvera sous forme d’ion fluorure $F^-$ ou de molécule de difluor $F_2$, et le chlore se trouvera sous forme d’ion chlorure $Cl^-$ ou de molécule de dichlore $Cl_2$.

Famille des gaz rares ou nobles

À retenir

La famille des gaz rares regroupe les éléments de la 18^e 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.

• Ainsi, on parle par exemple de la famille du bore ou de la famille du carbone.

Utilisation de la classification périodique

Rappel

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.

À retenir

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.

À retenir

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.

• Les atomes $X$ de la 1^re colonne (hors hydrogène) ont un électron sur leur dernière couche $M$. Ils vont perdre cet électron pour que leur couche $L$, qui est saturée à 8 électrons, devienne leur dernière couche.
• Ils vont ainsi former des ions avec une charge positive $X^+$.
• Les atomes $X$ de la 2^e colonne ont 2 électrons sur leur dernière couche $M$. Ils vont perdre ces 2 électrons pour que leur couche $L$, qui est saturée à 8 électrons, devienne leur dernière couche.
• Ils vont ainsi former des ions avec deux charges positives $X^{2+}$.
• Les atomes $X$ de la 3^e colonne ont 3 électrons sur leur dernière couche $M$. Ils vont perdre ces 3 électrons pour que leur couche $L$, qui est saturée à 8 électrons, devienne leur dernière couche.
• Ils vont ainsi former des ions avec trois charges positives $X^{3+}$.

Attention

Certains atomes vont gagner des électrons et former des ions de charge négative.

• Les atomes $X$ de la 16^e colonne ont 6 électrons sur leur couche externe. Ils vont gagner 2 électrons pour avoir une couche externe stable à 8 électrons.
• Ils vont ainsi former des ions avec deux charges négatives $X^{2-}$.
• Les atomes $X$ de la 17^e colonne ont 7 électrons sur leur couche externe. Ils vont gagner 1 électron pour avoir une couche externe stable à 8 électrons.
• Ils vont ainsi former des ions avec une charge négative $X^-$.

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.

À retenir

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 4^e ligne), on peut dire que :

• les atomes de la 1^re colonne vont pouvoir former 1 liaison covalente car ils ont 1 électron célibataire sur leur couche externe ;
• les atomes de la 2^e colonne vont pouvoir former 2 liaisons covalentes car ils ont 2 électrons célibataires sur leur couche externe ;
• les atomes de la 13^e colonne vont pouvoir former 3 liaisons covalentes car ils ont 3 électrons célibataires sur leur couche externe ;
• les atomes de la 14^e colonne vont pouvoir former 4 liaisons covalentes car ils ont 4 électrons célibataires sur leur couche externe ;
• les atomes de la 15^e colonne ont 5 électrons sur leur couche externe mais seulement 3 électrons célibataires (les 2 autres électrons formant un doublet non-liant).
• Ils ne vont donc pouvoir former que 3 liaisons covalentes ;
• les atomes de la 16^e colonne ont 6 électrons sur leur couche externe mais seulement 2 électrons célibataires (les 4 autres électrons formant 2 doublets non-liants).
• Ils ne vont donc pouvoir former que 2 liaisons covalentes ;
• les atomes de la 17^e colonne ont 7 électrons sur leur couche externe mais seulement 1 électron célibataire (les 6 autres électrons formant 3 doublets non-liants).
• Ils ne vont donc pouvoir former qu’une liaison covalente ;
• les atomes (gaz rares) de la 18^e colonne ont 8 électrons sur leur couche externe, tous regroupés en 4 doublets non-liants.
• Ils ne vont donc pas pouvoir former de liaisons covalentes.