Fiche de révision : La classification périodique des éléments

Mise en place de la classification périodique

*Mendeleïev entreprit en 1869 de classer les 63 éléments connus dans un tableau.

• Il proposa un classement des éléments par masse atomique croissante mais également selon leurs propriétés chimiques et physiques.
• 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 $^{A}_{Z}X$ où :
• $X$ est le symbole chimique de l’élément,
• $Z$ est son numéro atomique (soit le nombre de protons et d’électrons),
• et $A$ 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 ($g \cdot mol^{-1}$).
• 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 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.
• Dans la deuxième ligne, on remplit la couche $L$. La couche $L$ contient au maximum 8 électrons, elle contient donc 8 éléments.
• Dans la troisième ligne, on commence à remplir la couche $M$, mais on s’arrête quand elle 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.
• Dans la classification périodique, les atomes situés sur une même colonne ont le même nombre d’électrons sur leur couche électronique externe (ou dernière couche).

Les familles chimiques

• Les éléments d’une même colonne forment une même famille chimique et possèdent des propriétés chimiques similaires.
• Famille des alcalins
• 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 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 $H$ est un cas particulier car, bien que situé dans la première colonne, il ne fait pas partie de cette famille des alcalins. C’est l’élément le plus abondant dans l’univers.
• 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 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.
• Famille des gaz rares ou nobles
• 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 inertes chimiquement.
• 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

• 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 comment va se comporter un atome donné.
• Les atomes d’une même colonne ou famille vont se comporter de la même manière puisqu’ils ont le même nombre d’électrons sur leur couche externe.
• La classification périodique permet de connaître sur l’ion qu’un atome donné va former au cours d’une réaction chimique.
• 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 $X^{3+}$.

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 $X^-$.
• 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 dans une molécule. Ils ont aussi le même nombre de doublets non-liants.
• 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.