LC16 : Classification périodique
Bibliographie
- Chimie PCSI, de Boeck, Schott
- H-prépa tout en un, chimie première année PCSI, DURUPTHY
- Lien historique
Niveau
CPGE
Prérequis
- Mesure des rayons
- Configuration électronique
Manip
- Picnomètre de KI, KBr, KCl
- Pouvoir oxydant des halogène (Tec&Doc, PCSI, Gracias
Introduction
Vous avez déjà tous rencontrer le tableau périodique des éléments. Il est à la première page de quasiment tous les livres de chimie. Et il y a une raison à cela, il est riche en de très nombreuses informations. Nous allons donc au cours de cette leçon comprendre l’interêt de ce tableau et la logique du classement de ces éléments.
I. Présentation générale
1) Notion d’élément chimique
[H-prépa, p.14]
La faire sur diapo
On parle de classification périodique des éléments, mais qu’est-ce que c’est qu’un élément ?
C’est le numéro atomique Z qui correspond aux nombres de protons du noyau qui caractérise un élément chimique. Tous les représentants d’un élément chimique ont le même nombre de protons dans leur noyau. Au cours des réactions chimiques, les différents éléments chimiques se conservent. Un corps simple est constitué d’un seul élément chimique. Donner un exemple, par exemple avec le chlore A=35 et Z=17, on connaît un isotope A=37 du chlore (c’est le même élément).
2) Historique du tableau périodique
Les chimistes ont eu besoin de faire l’inventaire des éléments chimiques existant.
En 1789 37 corps simple avaient été identifiés. Il vient alors le besoin de classer ces éléments.
LAVOISIER organise ces éléments sous forme de tableau en fonction de leur comportement. A l’intérieur de ces 5 catégories il les orgnaise par ordre alphabétique.
En 1808, On introduit la notion de masse de l’atome. J.B. DÖBEIREINER, en 1817, imagine une nouvelle organisation basée sur la relation entre les masses atomique. Il rassemble les éléments en triade : alcalino-terreux (Ca, Sr, Ba), alcalin (Li, Na, K) et halogène (Cl, Br, I). Ce principe ne s’applique cependant pas à tous les éléments.
60 éléments avaient été découverts en 1862 lorsque A. BÉRUYER DE CHANCOURTOIS (1862) proposa la première classification moderne des éléments. Il positionne les éléments par ordre croissant de masse atomique sur une spirale autour d’un cylindre. En procédant de cette façon, il s’avèrera que les éléments qui se superposaient possédaient les mêmes propriétés. Cependant la périodicité des propriétés n’étaient pas toujours respectée.
La classification de D. MENDELEÏEV date de 1871. Il classe les éléments par ordre croissant de masse atomique, leurs propriétés se répétaient suivant un ordre régulier. Il a l’idée de modifier l’ordre de certaines masses atomiques pour faire correspondre les propriétés d’un corps n’appartenant dans son tableau initial à la même colonne. Il laisse également des trous en présumant l’existance d’élément non encore découvert.
Son tableau n’est pas reconnu tout de suite. Il faut attendre la confirmation expérimentale en 1875 par la découverte du gallium. MENDELEÏV avait prédit les propriétés de cet élément grâce à son tableau.
1900 Ajout d’une colonne pour les gazs nobles (peu réactif donc découvert tard).
Transition : La structure globale de ce tableau n’a pas changé. Et l’explication de cette double périodicité présente n’est expliqué que plus tard avec la découverte de l’électron et du noyau. Nous allons essayer de comprendre cela.
## 3) Structure actuelle
Le tableau est constitué de 7 lignes (appelés périodes) et de 18 colonnes (appelés familles). Les éléments sont classés de gauche à droite et de haut en bas par Z croissant.
On peut comprendre ce classement grâce à la mécanique quantique.
On rappelle les règles de hund et Klechkowsky qui permettent d’établir la configuration électronique des éléments.
Chaque période du tableau correspond à un remplissage d’une couche électronique à n fixé (nombre principal). Aisni la première période est celle où la couche n=1 est en cours de remplissage, la seconde c’est celle n=2 qui se remplit.
(On regarde la configuration électronique de l’hydrogène et du carbone par exemple).
Les éléments chimiques d’une même colonne ont la même configuration électronique de valence ce qui leur apporte des propriétés chimiques similaires. On distingue alors des blocs :
- Le bloc s
- Le bloc p
- Le bloc d
- Le bloc f
(Les visualiser sur le site) site
Transition : On a vu que l’on avait une certaine périodicité des propriétés, on va à présent chercher à les détailler.
II. Quelques Propriétés visibles sur le tableau
1) Electronégativité
L’électronégativité : d’un élément caractérise sa capacité à attirer plus ou moins fortement les électrons. Cette grandeur est relative et il existe plusieurs échelles pour la quantifier. L’échelle de Pauling, qui prend l’élément fluor comme référence 8, est la plus couramment utilisée : donner la définition.
L’électronégativité augmente de gauche à droite et de bas en haut. (voir sur le site). On exclue la colonne des gaz nobles de cette définition.
2) Rayon atomique
Manip : Le picnomètre pour remonter au rayon atomique.
Le rayon atomique est la distance la plus probable entre le noyau et les électrons de valence de l’atome. Celui-ci augmente de droite à gauche et de haut en bas. Montrer sur le site On peut parler de charges effectives pour voir comment vont théoriquement évoluer les rayons sur une colonne ou sur une ligne.
1) Caractère oxydant-réducteur des halogènes et des alcalins
Caractère oxydant des halogènes : Il peut gagner un électron pour avoir la même configuration qu’un gaz rare. Ils sont donc très oxydant.
Manip : On peut comparer ce caractère oxydant. On considère expérimentalement les couples Br2(aq)/Br−(aq) et I2(aq)/I−(aq). On fait réagir Br2(aq) avec I−(aq) ainsi que I2(aq) avec Br−(aq) et on regarde si une réaction s’est produite.
Le brome, plus électronégatif que l’iode, s’oxyde en récupérant les électrons de l’iodure. Cela correspond bien au fait qu’un atome plus électronégatif attire plus fortement les électrons ce qui lui permet de s’oxyder.
Conclusion : le pouvoir oxydant augmente du bas en haut de la colonne des halogène.
Pouvoir réducteur des alcalins :
On regarde une vidéo du sodium dans l’eau. On se rend compte qu’il y a une réaction. En effet les alcalins peuvent facilement céder un électron pour avoir la même configuration électronique que celle des gaz rares. Les alcalins sont très réducteurs.
On écrit l’équation bilan de la réaction.
Conclusion
Le tableau périodique est une classification riche en information pour les chimistes. Elle permet d’avoir accès facilement aux propriétés physiques (comme sur l’électronégativité) et chimique (des informations sur la réactivité). De nouveaux éléments sont encore découvert. Les quatre derniers l’ont été en 2016. Ce sont des éléments qui n’existent pas dans la nature mais qui ont été formé en laboratoire.