Classification Periodique Des Elements Explication Essay

Le tableau périodique des éléments, également appelé tableau ou table de Mendeleïev, classification périodique des éléments ou simplement tableau périodique, représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques.

La conception de ce tableau est généralement attribuée au chimiste russe Dmitri Mendeleïev, qui, en 1869, construisit une table, différente de celle qu'on utilise aujourd'hui[a] mais semblable dans son principe, dont le grand intérêt était de proposer une classification systématique des éléments connus à l'époque en vue de souligner la périodicité de leurs propriétés chimiques, d'identifier les éléments qui restaient à découvrir, voire de prédire certaines propriétés d'éléments chimiques alors inconnus.

Le tableau périodique a connu de nombreux réajustements depuis lors jusqu'à prendre la forme que nous lui connaissons aujourd'hui. Il est devenu un référentiel universel auquel peuvent être rapportés tous les types de comportements physique et chimique des éléments. Depuis la mise à jour de l'UICPA du 28 novembre 2016, sa forme standard comporte 118 éléments[1], allant de l'hydrogène1H à l'oganesson118Og.

Le tableau périodique standard[modifier | modifier le code]

Ce tableau est la représentation la plus usuelle de la classification des éléments chimiques. Certains chimistes ont proposé d'autres façons de classer les éléments, mais celles-ci restent bornées au domaine scientifique.

Parmi les 118 éléments chimiques connus, 83 sont dits primordiaux parce qu'ils possèdent au moins un isotope stable ou suffisamment stable pour être plus ancien que la Terre. Parmi eux, trois sont radioactifs : l'uranium92U, le thorium90Th et le bismuth83Bi ; la radioactivité de ce dernier est cependant si faible qu'elle n'a été mise en évidence qu'en 2003[2].

11 éléments existent naturellement dans l'environnement terrestre mais sont trop radioactifs pour que leurs isotopes présents lors de la formation du Système solaire aient pu subsister jusqu'à nos jours : ils sont formés continuellement par désintégration radioactive d'autres éléments chimiques, principalement de l'uranium et du thorium. C'est par exemple le cas du technétium43Tc, le plus léger d'entre eux, qui est un produit de fission de l'uranium, et du plutonium94Pu, le plus lourd d'entre eux, qui est considéré comme un radioisotope naturel présent à l'état de traces dans la pechblende, principal minerai d'uranium. La chaîne de désintégration de l'uranium 238, principal isotope naturel d'uranium, produit ainsi continuellement du protactinium234Pa, du thorium234Th et 230Th, du radium226Ra, du radon222Rn, du polonium218Po, 214Po et 210Po, du bismuth214Bi et 210Bi, et du plomb214Pb, 210Pb et 206Pb, ce dernier étant stable.

Les 24 derniers éléments sont dits synthétiques car ils n'existent pas naturellement dans l'environnement terrestre et sont produits artificiellement dans les réacteurs nucléaires ou expérimentalement en laboratoire. On peut cependant trouver certains d'entre eux dans la nature à la suite d'essais nucléaires atmosphériques ou d'accidents nucléaires, comme c'est le cas, dans certaines zones contaminées, pour l'américium95Am, le curium96Cm, le berkélium97Bk et le californium98Cf. Hors de notre planète, ces éléments, ainsi que l'einsteinium99Es, sont peut-être produits naturellement par processus r[3] lors d'explosions de supernovae, comme on l'a longtemps pensé de l'isotope 254Cf[4],[5],[6], hypothèse cependant réfutée depuis lors[7] ; ils auraient également été détectés dans le spectre de l'étoile de Przybylski[8].

Parmi les 103 éléments dont l'état standard est connu aux conditions normales de température et de pression (0 °C et 1 atm), 90 sont solides, 11 sont gazeux, et seulement deux sont liquides : le brome35Br, fondant à −7,2 °C, et le mercure80Hg, fondant à −38,8 °C ; plusieurs éléments solides ont cependant un point de fusion voisin de la température ambiante, par exemple le francium87Fr, à 27 °C, le césium55Cs, à 28,5 °C, le gallium31Ga, à 29,8 °C, le rubidium37Rb, à 39,3 °C, ou encore le phosphoreblanc15P, à 44,2 °C.

Construction du tableau[modifier | modifier le code]

Dans la mesure où les propriétés physico-chimiques des éléments reposent sur leur configuration électronique, cette dernière est sous-jacente à l'agencement du tableau périodique. Ainsi, chaque ligne du tableau (appelée période) correspond à une couche électronique, identifiée par son nombre quantique principal, noté n : il existe sept couches électroniques connues à l'état fondamental, donc sept périodes dans le tableau périodique standard, numérotées de 1 à 7. Chaque période est elle-même scindée en un à quatre blocs, qui correspondent aux sous-couches électroniques, identifiées par leur nombre quantique secondaire, noté ℓ : il existe quatre types de sous-couches électroniques connues à l'état fondamental, notées s, p, d et f (ces lettres viennent d'abréviations utilisées initialement en spectroscopie). Chacune de ces sous-couches contient respectivement 1, 3, 5 et 7 orbitales atomiques, identifiées par leur nombre quantique magnétique, noté m. Enfin, chaque orbitale est occupée par au plus deux électrons, identifiés chacun par leur nombre quantique magnétique de spin, noté ms.

Chaque électron d'un atome est donc décrit par quatre nombres quantiques, qui vérifient les propriétés suivantes :

En vertu du principe d'exclusion de Pauli, selon lequel deux fermions (ici, deux électrons) d'un même système (ici, un même atome) ne peuvent partager le même état quantique, les sous-couches électroniques s, p, d et f ne peuvent contenir chacune qu'au plus 2, 6, 10 et 14 électrons respectivement ; dans le tableau périodique, elles matérialisent ainsi le bloc s, le bloc p, le bloc d et le bloc f, contenant respectivement 2, 6, 10 et 14 éléments par période.

Si l'on respecte la construction du tableau par blocs en fonction des configurations électroniques, l'hélium devrait se trouver au-dessus du béryllium dans la 2e colonne, celle dont les atomes ont une sous-couche externe ns2, et non au-dessus du néon dans la 18e colonne, dont les atomes ont une sous-couche externe np6 ; l'hélium est positionné usuellement dans la 18e colonne car c'est celle des gaz nobles, dont il fait chimiquement partie.

Règle de Klechkowski[modifier | modifier le code]

Toutes les sous-couches d'une période n'appartiennent pas nécessairement à la même couche électronique : à partir de la 3e période, des sous-couches appartenant à des couches différentes se remplissent sur une même période. En effet, la distribution des électrons sur les différents niveaux d'énergie quantiques autour de l'atome obéit au principe d'Aufbau (« édification » en allemand), selon lequel l'ordre précis des sous-couches électroniques est donné par la règle de Klechkowski : les sous-couches sont remplies afin que les valeurs n + ℓ puis n soient croissantes, avec n le nombre quantique principal et ℓ le nombre quantique azimutal.

Tableau périodique des éléments au 28 novembre 2016.
Tableau périodique des éléments avec données numériques.

Le tableau périodique des éléments (TPE)

I - La classification périodique des éléments

II - Explication du tableau périodique des éléments

III - Tableau périodique des éléments

I - La classification périodique des éléments

En chimie, le terme de classification périodique correspond à la loi selon laquelle de nombreuses propriétés physiques et chimiques des éléments tendent à se répéter de façon systématique dans l'ordre croissant des numéros atomiques. Le terme classification périodique ou tableau périodique désigne également la représentation graphique de la loi sous forme de tableau regroupant tous les éléments connus. Dans le tableau périodique, les propriétés des éléments se reproduisent avec une certaine périodicité. Ainsi, les atomes séparés par 2, 8, 18 et 32 éléments ont certaines propriétés semblables. Par exemple, le second élément (hélium) a une réactivité chimique semblable au 10e élément (néon), au 18e (argon), au 36e (krypton), au 54e (xénon) et au 86e élément (radon). Par exemple, la famille chimique des halogènes, constituée des éléments 9 (fluor), 17 (chlore), 35 (brome), 53 (iode) et 85 (astate), regroupe des composés extrêmement réactifs.

Cette loi a été indépendamment établie par deux chimistes : en 1869 par le Russe Dimitry Mendeleïev et, en 1870, par l'Allemand Julius Lothar Meyer. Ils se rendirent compte que les précédentes tentatives avaient échoué en raison du nombre d'éléments à découvrir, et que l'on devait réserver des cases pour ces éléments dans le tableau. Ainsi, même si aucun élément connu n'avait une masse atomique comprise entre celle du calcium et celle du titanium, Mendeleïev laissa un espace vacant dans sa table. Plus tard, cet espace fut assigné à l'élément scandium, découvert en 1879 et dont les propriétés justifiaient sa position dans la séquence des éléments. La découverte du scandium s'avéra être l'une des nombreuses vérifications spectaculaires des prédictions de la classification périodique. La validation de cette loi accéléra le développement de la chimie inorganique.

II - Explication du tableau périodique des éléments

Le tableau périodique des éléments a été conçu à partir de la table de Mendeleïev, qui a subi des corrections et des additions. Dans ce tableau, les éléments sont rangés horizontalement dans l'ordre croissant des masses atomiques. Ils occupent sept rangées horizontales appelées périodes et dix-huit colonnes verticales appelés groupes. La première période contient deux éléments, l'hydrogène et l'hélium, et les deux périodes suivantes contiennent chacune huit éléments. Ces trois rangées sont les périodes courtes. Les autres périodes, ou périodes longues, sont constituées de 18  éléments, comme les périodes 4 et 5, ou de 32 éléments comme la période 6. La longue période 7 comprend la série des actinides, complétée par des noyaux radioactifs à partir de l'élément 103, le lawrencium et par les éléments transuraniens.

Dans le tableau périodique, les familles des colonnes verticales sont traditionnellement désignées de gauche à droite par des chiffres romains suivis du symbole a ou b. La lettre b se réfère aux groupes des éléments de transition. Un autre procédé de numérotation, de plus en plus populaire, a été adopté par l'IUPAC. Ce nouveau système numérote simplement les colonnes verticales de 1 à 18 de gauche à droite du tableau périodique. Les éléments d'un groupe ont des propriétés réactionnelles très voisines qui diffèrent sensiblement de celles des éléments appartenant aux autres groupes. Par exemple, à l'exception de l'hydrogène, les éléments du groupe  1 (ou Ia) sont des métaux de valence +1, alors que la colonne 17 (ou VIIa) privée de l'astate regroupe des éléments non métalliques, formant couramment des composés dans lesquels ils ont une valence de -1. Le tableau qui est présenté ici affiche les deux notations.

La disposition du tableau respecte également la théorie de la couche atomique selon laquelle les électrons d'un atome sont organisés en couches. En observant le tableau on remarque en effet que la première couche électronique peut contenir jusqu'à 2 électrons, que la seconde couche contient un maximum de 8 électrons, que la troisième sature à 18 électrons, etc…

III - Tableau périodique des éléments

Voici une représentation du tableau périodique des éléments. Cliquez sur un élément pour obtenir des informations sur celui-ci.

Les différentes données :

  • Masse atomique : masse d'un atome de cet élément exprimée en uma, unité de masse atomique. Si on se base sur l'isotope 12 du carbone auquel on a assigné une masse atomique exacte de 12 uma, et si le nombre d'Avogadro (6,022 x 1023) d'atomes de carbone pèse 12,00 g, alors 1 atome de carbone pèse 12,00 g / 6,022.1023 = 1,993.10-23 g. On peut en déduire la relation entre les grammes et les uma : 1,993.10-23 g / 12 uma = 1,661.10-24 g/uma.
  • Rayon atomique : valeur donnée par la mécanique-quantique pour l'atome libre. Un Å (Angström) équivaut à 10-10 m.
  • Configuration électronique : distribution des électrons dans les différentes orbitales (s, p, d, f) d'un atome. Une orbitale est une région autour du noyau où la probabilité de trouver un électron est grande.
  • Isotopes naturels (en %) : Un élément est un isotope d'un autre élément quand celui ci possède dans le noyau, le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent. On donne ici seulement les isotopes naturels, il existe aussi des isotopes artificiels pour à peu près tous les éléments.
  • Point de fusion : Le point de fusion est la température à laquelle les phases solide et liquide cœxistent en équilibre. La phase liquide et la phase solide possèdent alors, la même pression de vapeur.
  • Point d'ébullition : Le point d'ébullition est la température à laquelle la pression de vapeur d'un liquide est égale à la pression normale, soit 101,3 kPa
  • Nombre d'oxydation : Nombre de charges qu'aurait un atome dans une molécule, ou dans un composé ionique, si les électrons impliqués dans les liaisons étaient complètement transférés dans la direction indiquée par la différence d'électronégativité entre les éléments.
  • Électronégativité : Tendance d'un atome à attirer vers lui les électrons dans une liaison chimique. Selon des calculs faits par Pauling, une échelle est proposée qui va de 0 à 4, du moins électronégatif au plus électronégatif.
  • Potentiel(s) d'ionisation : Le premier potentiel d'ionisation correspond à l'énergie nécessaire pour enlever un électron à un atome neutre et isolé (état gazeux). Le deuxième à l'enlèvement d'un électron à un ion monopositif et ainsi de suite. L'électron-volt (eV) est l'unité d'énergie utilisée en physique des particules : c'est l'énergie acquise par un électron soumis à un potentiel électrique de 1 volt. 1 eV = 1,6.10-19 J.
  • Masse volumique à 20 °C : La masse d'un échantillon de quoi que ce soit par l'unité de volume qu'il occupe nous donne sa masse volumique. L'unité internationale est le kg/m3. On utilise plus généralement le g/cm3 (mL) pour les liquides et les solides. Pour les gaz c'est souvent le g/dm3 (L)
  • Enthalpie de fusion : L'enthalpie de fusion est l'énergie nécessaire pour faire passer, ici une mole de l'élément, de la phase solide à la phase liquide et ceci sans changement de température.
  • Enthalpie de vaporisation : L'enthalpie de vaporisation est l'énergie nécessaire pour faire passer, ici une mole de l'élément, de la phase liquide à la phase gazeuse et ceci sans changement de température.
  • Conductivité thermique : Caractérise la capacité de conduction thermique. La chaleur s'écoulant d'un milieu plus chaud vers un milieu plus froid.
  • Conductivité électrique : Facilité avec laquelle le courant électrique peut passer. L'unité est le siemens (ohm-1) par unité de longueur.

Certaines valeurs de certains éléments ne sont pas définies. En effet, parfois des propriétés ne sont pas encore définies, notamment pour les atomes artificiels ayant un numéro atomique élevé : ils ne sont pas assez stables pour pouvoir être analysés.

Remarque : Les éléments 110, 111, 112, 114, 116 et 118 n'ayant été découverts que récemment (entre 1994 et 1999) aucun nom officiel ne leur a encore été attribué. On les appelle donc par leur numéral latin (Ununnilium pour Un Un Zéro, Unununium pour Un Un Un, etc…).

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