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Partie I : Atomistique Chapitre 2 : La classification périodique 1 Chapitre 2 :

Partie I : Atomistique Chapitre 2 : La classification périodique 1 Chapitre 2 : La classification périodique des éléments I- Historique Dès le milieu du XIXe siècle, les chimistes avaient remarqué la périodicité des propriétés physico- chimiques des éléments connus à l’époque, ils éprouvèrent donc le besoin de les ordonner. Plusieurs classifications furent alors adoptées avant d'arriver au tableau périodique qui est utilisé de nos jours. L’étape décisive fut franchi par le chimiste russe Dimitri Mendeleïev en 1869 qui s’est rendu compte qu'en classant les éléments selon leurs masses atomiques on voyait apparaître une périodicité en ce qui concerne certaines propriétés des éléments. Ce tableau fut la première représentation cohérente de l'ensemble des éléments. Mendeleïev disposa dans un tableau les éléments connus à l’époque par masse atomique croissante, en laissant des places vides (idée de génie) et en inversant certains éléments. La classification de Mendeleïev demeure valable de nos jours, mais on reconnait que la périodicité des propriétés physico-chimiques est liée à leurs configurations électroniques. II- La classification périodique des éléments II-1- Aspect général La classification périodique des éléments se présente sous forme d’un tableau de 18 colonnes ou groupes et 7 lignes ou périodes, et les éléments y sont classés par ordre croissant du numéro atomique (Fig. 1) (compléter les configurations des éléments) :  La première période, la plus courte est formée de deux éléments 1H et 2He, elle correspond au remplissage de la sous couche 1s.  La deuxième et la troisième correspondent respectivement au remplissage de 2s puis 2p et 3s puis 3p : chacune est formée de 8 éléments, de 3Li à 10Ne et de 11Na à 18Ar .  La quatrième et la cinquième période correspondent au remplissage successif de 4s, 3d puis 4p et 5s, 4d puis 5p : 18 éléments de 19K à 36Kr et 37Rb à 54Xe .  La sixième et septième période correspondent au remplissage successif de 6s, 4f, 5d puis 6p et 7s, 5f, 6d puis 7p : 32 éléments de 55Cs à 86Rn et 87Fr à 118Og .  Les éléments correspondant au remplissage progressif des sous-couches 4f et 5f sont mis en bas du tableau. Partie I : Atomistique Chapitre 2 : La classification périodique 2 Tableau I : La classification périodique des éléments. II-2- Les principales familles Une famille chimique correspond à une colonne dans le tableau périodique, les éléments correspondants possèdent la même structure de valence. Les principales familles sont :  Les alcalins : Eléments métalliques de la première colonne, de Li à Fr (l’hydrogène ne fait partie de cette famille et d’aucune famille chimique). Ils ont la même configuration de valence, en ns1 ; ils ont donc tendance à donner facilement cet électron pour former un cation de charge +I. Les alcalins doivent être conservés dans l'huile, car lorsqu'ils sont en contact avec l'eau ou l'air, ils réagissent violement. Ils sont souvent utilisés dans la médicine pour la fabrication des médicaments et pour la fabrication d’explosifs.  Les alcalinoterreux : Ce sont les éléments de la deuxième colonne, de Be à Ra. Leur configuration électronique contient une sous-couche s saturée (ns2), ils perdent facilement les deux électrons de valence pour former un cation divalent (état d'oxydation +II). Ces éléments ne se trouvent jamais sous forme métallique libre dans la nature, car, comme les alcalins, ils sont très réactifs.  Les chalcogènes ou calogènes : Atomes inscrits sur la colonne 16 du tableau périodique : de l’oxygène 8O au polonium 84Po. Ils possèdent 6 électrons de valence (ns2 np4). On peut les trouver sous forme d'ions négatifs quand ils captent les deux électrons qui leur manquent.  Les halogènes : Eléments de la colonne 17, de 9F à 85At. Ils ont tous 7 électrons de valence et ont donc tendance à capter un électron pour former un anion de charge -I. Partie I : Atomistique Chapitre 2 : La classification périodique 3  Les gaz rares : Eléments de la 18ème colonne, de 2He à 86Rn. Sauf l’hélium, ils ont des sous-couches externes saturées en ns2 np6, donc très stables. Les gaz rares sont les seuls gaz monoatomiques, la source en est l’air. Ils étaient appelés gaz inertes à cause de leur inertie chimique. Mais on sait actuellement qu'ils peuvent réagir avec certains éléments. II-3- Structures en blocs Un bloc est un ensemble de groupes d'éléments chimiques dont les électrons de valence appartiennent aux mêmes sous-couches électroniques. Ces blocs sont donc désignés par les lettres s, p, d et f.  Bloc s : Il correspond aux deux colonnes 1 et 2 (alcalins et alcalinoterreux).  Bloc d (métaux de transition) : Au milieu du tableau périodique, c’est le bloc des éléments de la colonne 3 à 12, appelés métaux de transition et qui correspondent au remplissage progressif des sous- couches d (structures de valence en ns2 (n-1)dx, x de 1 à 10). Comme tous les métaux, ce sont de bons conducteurs thermiques et électriques. Dans les conditions normales de température et de pression, à l’exception du technétium 43Tc (élément synthétique) et du mercure 80Hg (liquide), ils sont solides, avec des masses volumiques et des températures de fusion élevées. Les métaux de transition forment des composés colorés et possèdent de nombreux états d'oxydation.  Bloc p : A droite du tableau périodique, il est constitué des éléments chimiques du groupe 13 au groupe 18 . La sous-couche externe, excepté l’hélium, est en npy, y de 1 à 6. Ce bloc contient la plupart des métaux de post-transition, tous les métalloïdes (éléments 5B, 14Si, 32Ge, 33As, 51Sb, 52Te et 85At dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux), tous les non-métaux hormis l'hydrogène et tous les gaz inertes.  Bloc f : En bas du tableau périodique, il est formé par :  Les lanthanides : Ce sont les 15 éléments allant du lanthane 57La au lutécium 71Lu. A l’exception du premier élément, ils correspondent au remplissage progressif de la sous-couche 4f. Ils tirent leur nom du lanthane, premier de la famille, en raison de leurs propriétés chimiques très semblables à ce dernier.  Les actinides : Ce sont les 15 éléments chimiques allant de l'actinium 89Ac au lawrencium 103Lr ; ils correspondent, excepté le premier élément, au remplissage progressif de la sous-couche 5f. Ces métaux lourds tirent leur nom de l'actinium, premier de la famille, en raison de leurs propriétés chimiques apparentées. II-4- Relations configuration électronique – position dans la classification périodique L’écriture des configurations électroniques des atomes dans leur état fondamental et l’examen de l’aspect général de la classification permet de tirer les constatations suivantes :  Les éléments d’une même période ont la même configuration de cœur et le nombre quantique principal n maximal. Ce nombre correspond au numéro de la période. Partie I : Atomistique Chapitre 2 : La classification périodique 4  Les électrons d’un même groupe ont le nombre d’électrons de valence. Ce nombre détermine le numéro du groupe. Application 1 : 1/ Déterminer la position du carbone 6C dans la classification périodique. 2/ Soit l’élément chrome 24Cr. a) Ecrire sa configuration électronique dans l’état fondamental. b) Repérer sa position dans la classification périodique. c) Déterminer :  les numéros atomiques du premier et du dernier élément de la même période que Cr.  les numéros atomiques des éléments molybdène Mo et tungstène W en dessous du Cr dans la classification périodique. 3/ Le bismuth Bi se situe à la 6ème période et au 15ème groupe de la classification périodique. Le mercure Hg est le dernier métal de transition de cette période. a) Ecrire la configuration électronique du bismuth dans l’état fondamental. b) Déterminer le numéro atomique du mercure Hg. III- Périodicité des propriétés atomiques La périodicité des propriétés des éléments dans le tableau périodique correspond à la façon dont les propriétés physiques et chimiques des éléments évoluent régulièrement dans une période ou dans un groupe. . III-1- Rayons atomiques et ioniques Les atomes et les ions peuvent être modélisés comme étant des sphères. On peut estimer le rayon atomique ou ionique à la distance pour laquelle la densité de probabilité radiale associée aux électrons externes est maximale. Partie I : Atomistique Chapitre 2 : La classification périodique 5 c) Rayons atomiques Les rayons atomiques d’un certain nombre d’atomes sont présentés dans la figure 1. On peut tirer les constatations suivantes :  Dans une période, Ratm décroit quand Z croit : malgré l’addition d’un électron supplémentaire s ou p sur une sous-couche insaturée, les électrons externes se trouvent tous sur une même couche de nombre quantique n. Ils subissent la même répulsion électrostatique provenant des électrons internes (dont le nombre reste constant tout le long de la période), alors que la charge nucléaire augmente. L’attraction électrostatique est donc de plus en plus forte, donc le rayon décroit.  Le long d’un groupe, le rayon atomique croit avec Z : il s’agit d’une évolution normale puisque le changement d’une période implique l’addition de 8, 18 ou 32 électrons. Figure 1 : Rayons atomiques d’un uploads/Histoire/ atomistique-chapitre-2-tableau-periodique.pdf