La classification periodique des elements








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date de publication19.01.2018
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RAPPELS :

  • LA CONSTITUTION D’UN ATOME

  • LE CORTEGE ELECTRONIQUE

  • LA CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS

  • LES FAMILLES CHIMIQUES



La constitution d'un atome
Etymologiquement, le mot atome vient du grec atomos qui signifie « indivisible ».
Mais, au début du 20e siècle, plusieurs expériences mettent en évidence l'existence de différentes particules constituant l'atome, réparties dans un noyau central en périphérie duquel se situe un nuage électronique.


  1. Constitution du noyau de l'atome




  1. Les nucléons


Le noyau d'un atome, dont le diamètre est d'environ 10 -15 m, est constitué de particules appelées nucléons (du latin nucleus qui signifie noyau).

Il existe deux sortes de nucléons :

  • les neutrons (qui ne sont pas chargés)

  • les protons (chargés positivement).

  1. Caractéristiques des nucléons


Les nucléons, qu'ils soient protons ou neutrons, ont quasiment la même masse :

m p ≈ m n = 1,67.10 -27 kg

La charge électrique de toute particule, notée q, a pour unité le coulomb, de symbole C.

  • Le neutron est électriquement neutre, sa charge est donc nulle :
    q n = 0 C.

  • Le proton possède une charge positive de : q p = + 1,6.10 -19 C. Cette valeur sera prise comme référence pour définir la charge électrique élémentaire e, avec : e = 1,6.10 -19 C en valeur absolue d'où :

q p = + e.



  1. Constitution du cortège électronique




  1. Les électrons


Autour du noyau d'un atome, des électrons, chargés négativement, gravitent et constituent le « nuage électronique » de l'atome.


  1. Caractéristiques des électrons


Les électrons ont une masse très faible :

m e- = 9,1.10 -31 kg

La charge électrique de l'électron est négative et de même valeur absolue que celle du proton donc :

q e- = - 1,6.10 -19 C ,

C’est-à-dire en charge électrique élémentaire : q e- = - e.



  1. Représentation symbolique du noyau de l'atome


Pour représenter l'atome avec ses caractéristiques, c'est-à-dire le nombre de particules le constituant, on utilise le symbole chimique (ici noté X) et pour représenter la composition de son noyau :

  • en haut à gauche, on note le nombre de nucléons, noté A, appelé nombre de masse (qui regroupe protons + neutrons)

  • en bas à gauche, on reporte le nombre de protons, noté Z, appelé numéro atomique.


L'essentiel

L'atome est constitué d'un noyau central, chargé positivement, et d'électrons, chargés négativement, qui gravitent autour dans le nuage électronique.

Le noyau est lui-même constitué de nucléons : neutrons, non chargés, et protons, chargés positivement, de masses quasi identiques.

Le cortège électronique
L'atome est constitué d'un noyau chargé positivement et d'un nuage d'électrons en mouvement chargés négativement qui constituent le cortège électronique.
L'égalité du nombre de charges positives (protons) et négatives (électrons) assure l'électroneutralité de l'atome.
Les électrons du cortège électronique sont répartis en couches et sont plus ou moins liés au noyau.


  1. Electroneutralité de l'atome




  1. Les électrons


Les électrons constituent le cortège électronique de l'atome.
Leur existence a été mise en évidence par l'anglais J.J. Thomson en 1881, qui a prouvé que les électrons étaient des constituants universels de la matière.

Les électrons sont chargés négativement et gravitent autour du noyau chargé positivement du fait du nombre de protons qui le constituent.

Un atome isolé est électriquement neutre donc il y a autant de protons chargés positivement dans le noyau que d'électrons de charge opposée dans le cortège électronique.
Donc puisque le numéro atomique Z représente le nombre de protons, il y aura dans un atome autant d'électrons, soit Z électrons.

  1. Constitution du cortège électronique




  1. Les couches électroniques


Dans le modèle de l'atome le plus couramment utilisé, tous les électrons ne sont pas liés de la même manière au noyau, ils se répartissent sur différentes couches notées, de la plus proche à la plus éloignée du noyau :

Couches électroniques K, L, M...


  1. Répartition des électrons dans les couches électroniques du cortège


Les couches électroniques sont remplies les unes après les autres dans l'ordre en partant de la couche K.

Le nombre maximum d'électrons portés par :

  • la couche K est de 2 électrons,

  • la couche L est de 8 électrons,

  • la couche M est de 8 électrons.

Ainsi pour trouver la structure du cortège électronique il faut tout d'abord trouver le nombre d'électrons de l'atome puis compléter les couches électroniques dans l'ordre.

  1. La dernière couche électronique occupée


Cette couche externe du cortège électronique est la dernière contenant encore des électrons, on l'appelle couche de valence : les électrons qu'elle contient sont les plus éloignés du noyau et y sont donc moins liés.

  1. Ions monoatomiques


La couche externe ou couche de valence du cortège électronique contient les électrons les moins liés au noyau qui vont pouvoir être arrachés à la structure de l'atome ; a contrario si la structure de l'atome s'y prête, la couche de valence pourra capter des électrons : dans les deux cas l'atome formera un ion.

Un ion monoatomique est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons :

  • si l'atome perd un ou plusieurs électrons, l'ion possédera une charge globale positive : on l'appellera cation.

  • si l'atome gagne un ou plusieurs électrons, l'ion possédera une charge globale négative : on l'appellera anion.

Le nombre de protons du noyau restera toujours inchangé car le gain ou la perte d'électrons ne concerne que le cortège électronique.

L'essentiel

Dans un atome, le cortège électronique ou nuage électronique est constitué d'électrons gravitant autour du noyau et répartis en couches électroniques K, L, M ...

Le nombre d'électrons de l'atome, déduit du nombre de protons du noyau tel que l'atome soit électriquement neutre, est réparti sur les différentes couches remplies dans l'ordre avec au maximum :

• 2 électrons pour la couche K,
• 8 électrons pour la couche L,
• 8 électrons pour la couche M.

La dernière couche électronique occupée, appelée couche de valence, peut gagner ou perdre un ou plusieurs électrons : l'atome se transforme alors en ion monoatomique.

La classification périodique des éléments
Objectifs : C'est en 1869, que Dimitri Mendeleïev a proposé la classification périodique des éléments qui lui permit de regrouper et de classer tous les atomes connus à cette époque. Ce classement diffère peu de celui que l'on connaît actuellement. L'élaboration de cette classification a joué un grand rôle dans l'évolution des connaissances et l'avancée de la chimie. Quels sont les critères qui ont permis à Mendeleïev d'établir cette classification ? Quelles difficultés a-t-il rencontré ? Quelle est alors son utilité pour le chimiste ?


  1. La classification périodique




  1. Un peu d'histoire


Dimitri Mendeleïev a eu l'idée de classer les éléments connus à l'époque par masse atomique croissante (seul paramètre accessible à son époque puisque les électrons ne furent mis en évidence que bien plus tard, par J.J. Thomson en 1897).
Son génie réside dans le fait qu'il a prévu une place pour les éléments manquants et qu'il a estimé leur masse. De plus il a remarqué que certains éléments avaient les mêmes propriétés chimiques, anticipant ainsi la notion de famille.
Cependant certains éléments lui ont posé quelques problèmes, ne sachant pas où les placer comme les lanthanides et les gaz nobles.


  1. La classification


La classification actuelle regroupe près de 114 éléments, dont 90 naturels (que l'on peut trouver sous forme d'oxyde dans les minerais...).
Les autres sont créés artificiellement au laboratoire et ont parfois une durée de vie très courte (de l'ordre de la microseconde : 10-6 s). Les éléments sont classés par numéro atomique Z croissant et sont regroupés en métaux d'un côté et non-métaux de l'autre.


  1. Organisation


Le tableau périodique est divisé en 7 lignes, appelées périodes, et 18 colonnes qui forment les familles.
Le numéro de la ligne indique le nombre de couches électroniques autour du noyau de l'atome correspondant.
Le numéro de la colonne indique le nombre d'électrons sur la couche externe de l'atome correspondant.


  1. Utilisation


En fonction de la place de l'élément, la classification permet de connaître le nombre d'électrons sur la couche externe et le nombre de couches électroniques de l'atome correspondant à l'élément et réciproquement.

Connaissant le nombre d'électrons externes de l'atome, on peut connaître le nombre de liaisons covalentes que l'atome établit dans la formation d'une molécule.

Exemple : Les atomes des éléments situés sur la colonne du carbone (famille du carbone) ont tous 4 électrons sur leur couche externe ; il leur manque donc 4 électrons pour ressembler aux gaz rares les plus proches et vérifier la règle de l'octet. Ils forment donc 4 liaisons covalentes dans une molécule. Les éléments de cette famille sont tétravalents.

On peut aussi en déduire le type d'ions que l'atome va former.

Exemple : Le fluor F (Z=9) appartient à la 2e période car l'atome correspondant possède 9 électrons répartis sur 2 couches : (K)2(L)7. Il appartient à la colonne 17 ou avant-dernière colonne : l'atome correspondant possède 7 électrons externes. Il lui manque 1 électron pour ressembler au néon Ne (Z=10) et vérifier ainsi la règle de l'octet. L'atome de fluor tend donc (comme tous les atomes dont les éléments appartiennent à cette colonne) à gagner 1 électron et former l'ion négatif F- appelé ion fluorure.

L'essentiel

Dans la classification périodique, les éléments sont classés par numéro atomique Z croissant.

La classification périodique des éléments comporte 7 lignes et 18 colonnes.
Les lignes ou périodes représentent le nombre de couches électroniques autour du noyau de l'atome correspondant.
Les colonnes représentent le nombre d'électrons sur la couche externe de l'atome.

Les éléments placés dans une même colonne forment une famille chimique. Ils ont les mêmes propriétés chimiques.

Les familles chimiques
Objectif : Mendeleïev dans son illustre tableau regroupe les éléments qui ont les mêmes propriétés par numéro atomique.
Que représente un tel ensemble ?


1. Notion de famille chimique


Les éléments dans la classification actuelle sont rangés par numéros atomiques croissants. On peut donc y constater le remplissage progressif des couches électroniques pour les atomes associés à ces éléments.

Dans une même colonne, les atomes des éléments ont le même nombre d’électrons périphériques ce qui explique les analogies dans leurs propriétés chimiques.
C’est pour cette raison que les éléments d’une même colonne font partie de la même famille chimique.

Dans le tableau périodique des 18 premiers éléments, on retrouve donc :
2. Famille des alcalins

C’est la famille du lithium Li, du sodium Na, du potassium K …qui se trouve dans la première colonne (l’hydrogène ne fait pas partie de cette famille). Ce sont des métaux qui réagissent de manière violente avec l’eau et le dioxygène.

numéro atomique Z

élément

structure électronique

3

Li

(K)2(L)1

11

Na

(K)2(L)8(M)1

19

K

(K)2(L)8(M)8(N)1

D’après le tableau précédent, on constate que chacun des atomes possède un électron périphérique. Ils peuvent perdre cet électron pour donner des cations du type M+ soit Li+, Na+, K+.

Les ions obtenus ont une couche externe saturée : ils sont donc très stables, cette structure électronique est la même que celle de l’atome de gaz rare situé la ligne au-dessus.
3. Famille des halogènes


C’est la famille du fluor, du chlore, du brome, de l’iode…, qui se trouve dans l’avant dernière colonne.

D’après le tableau précédent, on constate que chacun des atomes possède 7 électrons sur la couche externe. Ils peuvent capter un électron supplémentaire pour donner des anions (F-, Cl-, Br-...) avec une couche externe saturée.
Leur structure est la même que l’atome de gaz rare situé à droite dans le tableau.
4. Famille des gaz nobles
C’est la famille de l’hélium, du néon, de l’argon….. Ces sont des gaz dits rares car en faible quantité dans l’atmosphère terrestre.

Les atomes de ces éléments possèdent tous des couches  externes saturées et ils sont par conséquent très stables et inertes d'un point de vue chimique.

L’essentiel

Les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons externes ce qui leur confère des propriétés similaires : on dit qu’ils appartiennent à la même famille chimique.



M. DESERT M54 CHIMIE GENERALE BTS VO

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