Eléments chimiques R.Welter Licence Physique et Applications CHAPITRE III : Propriétés périodiques des éléments 1) Introduction à la classification périodique des éléments chimiques. - Antiquité : Fer, Soufre, Cuivre, Argent, etc… - Alchimistes : 18 corps simples - Fin du 19ème siècle : nombreux éléments nouveaux grâce à la spectroscopie atomique - Aujourd’hui : environ 110 éléments connus - Périodicité : remarquable mise en évidence par M. Mendeleiv (1869) * Les étapes dans la construction du tableau périodique des éléments. Les triades avec Döbereiner (1817) Existence de « triades » d’éléments semblables tel que : Chlore, Brome et Iode. S1 En 1850, 20 triades répertoriées La loi des octaves avec Chancourtois et Newlands (1864). Le géologue français Chancourtois et le chimiste britannique John Newlands (1837-1898) furent ridiculisés lorsqu’ils proposèrent la «loi des octaves» : On qualifia cette suggestion de compliquée, d’artificielle et de fantaisiste. La loi de la périodicité des propriétés avec Mendeleïev (1869) C’est au chimiste russe, Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907), que revient le mérite d’avoir structuré une classification cohérente de l’ensemble des éléments (63). Entre 1875 et 1886, découverte du gallium, scandium, germanium. Confirmation des idées de Mendeleïev. La découverte de gaz rares avec Ramsay (1895) Une nouvelle ligne au tableau de l’époque. La disposition moderne avec Seaborg (1945) Disposition moderne du tableau de classification périodique caractérisée par des rangées horizontales (périodes) et des colonnes verticales (familles chimiques) -47- Eléments chimiques R.Welter Licence Physique et Applications -48- S1 Eléments chimiques R.Welter Licence Physique et Applications * Remarques i) Il est souvent commode de diviser la classification en différentes régions : les blocs s, p, d et f comme indiqué dans la classification ci-dessus. Ces blocs correspondent respectivement au remplissage des sous-couches s, p, d et f. ii) Il y a 7 lignes dans le tableau périodique; Les éléments d’une même ligne constituent une période. S1 iii) Il y a 18 colonnes dans le tableau périodique. Le système de numérotation des groupes est toujours matière à contreverse. La numérotation en chiffres romains est la numérotation traditionnelle, en chiffre arabe celle recommandée par l’IUPAC. -49- Eléments chimiques R.Welter 2) Périodicité des propriétés. 2.1 Volumes atomiques et rayons atomiques. 2.2 Points de fusion et points d’ébullition. Les éléments de faible volume atomique ont, en général, un point de fusion et un point d’ébullition élevés. On remarquera les points d’ébullition élevés des éléments de transition et du carbone ainsi que les Tf basses des éléments de la colonne du zinc. -50- Licence Physique et Applications S1 Eléments chimiques R.Welter Licence Physique et Applications S1 2.3 Energie d’ionisation. a) Définitions - Ioniser un atome, c’est lui enlever un ou plusieurs électrons - L’énergie de première ionisation d’un atome est l’énergie nécessaire pour extraire un électron de l’atome à l’état gazeux. b) Mesures des énergies d’ionisation - Grâce à un spectromètre de masse : * Les ions sont produits en bombardant les atomes avec 2.4 Affinité électronique b. des électrons d’énergie cinétique connue; * On détecte les ions différant par leur rapport q/m. On a) Définitions enregistre l’intensité du courant ionique provoqué par les - C’est l’énergie de la transformation : électrons d’énergie déterminée. M(g) + e- --> M-(g) c) Périodicité des énergies d’ionisation Si le processus dégage de l’énergie, on dit que l’affinité b électronique de l’atome M est positive. On appelle habituellement énergie d’ionisation, l’énergie L’affinité électronique b est d’autant plus grande que de première ionisation. Dans la classification, cette éner- l’énergie dégagée est plus élevée. gie varie régulièrement. b) Périodicité Comme nous l’avons vu en TD, les mesures d’énergies - L’affinité électronique de M est égale à l’énergie d’ionisation apporte la preuve expérimentale de l’exisd’ionisation de M- : tence des niveaux M-(g) --> M(g) + e- + Aff. -51- Eléments chimiques R.Welter Licence Physique et Applications S1 Les gaz inertes auront les affinités électroniques les plus basses. Les éléments de la colonne des halogènes auront une affinité électronique élevée. N.B. : Il est beaucoup plus difficile de mesurer l’affinité électronique que l’énergie d’ionisation. Si on écarte les deux aimants, l’aimant A entraînera la bille avec lui si le champ qu’il crée est assez fort. Si on envisage la réaction entre un atome A et un atome B, l’atome A prendra d’autant plus facilement un électron à B que : - L’affinité électronique de A est plus forte. - L’énergie d’ionisation de B est plus faible. 2.5 Electronégativité. Si la réaction (1) suivante se produit : a) Définitions A(g) + B(g) --> A-(g) + B+(g) - Considérons deux aimants A et B, liés l’un à l’autre par l’intermédiaire d’une bille métallique. On dira que A est plus électronégatif que B. (1) Si la réaction (2) suivante se produit : A(g) + B(g) --> A+(g) + B-(g) (2) On dira que B est plus électronégatif que A. L’électronégativité mesure la tendance d’un atome à prendre des électrons en présence d’un autre atome. b) Echelles d’électronégativité. - L’échelle de Mulliken. -52- Eléments chimiques R.Welter Licence Physique et Applications La réaction (1) est la somme des réactions (3) et (4). A(g) + e- --> A-(g) B(g) --> B+(g) + e- (3) (4) S1 Quelques électronégativités dans l’échelle de Mulliken. Li --> 2,47; H --> 7,17; Cl -->8,31; F --> 10,42 Pour effectuer la réaction (4), il faut fournir l’énergie EB - L’échelle de Pauling. tandis que la réaction (3) dégage l’énergie EA. Par conséquent l’énergie mise en jeu dans la réaction (1) est : Pauling à élargi l’échelle d’électronégativité à un grand nombre d’éléments en la basant sur les énergies de disΔE1 = EA - EB sociations des molécules diatomiques, mais il obtint ainsi des différences d’électronégativité : il fallait donc fixer arPour la réaction (2), ce sera l’inverse : bitrairement l’électronégativité d’un élément. ΔE1 = EB - EA Pauling a posé pour H : 2.1. On obtient alors pour Li, Be, B, C, N, O et F respectivement 1 - 1,5 - 2 - 2,5 - 3 - 3,5 - 4. Si la réaction (1) nécessite moins d’énergie que la réaction (2), l’atome A est plus électronégatif que B. - L’échelle de Allred et Rochow. Ces deux auteurs ont proposé une échelle universelle Pour mesurer l’électronégativité x d’un atome, Mulliken a avec la définition suivante : choisi la moyenne arithmétique de l’affinité électronique et de l’énergie d’ionisation : L’électronagativité est la force d’attraction entre un atome et un électron, séparé du noyau de cet atome par une x =1/2(EA+EB) distance égale au rayon covalent de l’atome. La table de Mulliken (voir ci-dessous) est très incomplète Ces auteurs utilisèrent la formule emprique suivante : car il est très difficile de mesurer les affinités électroniques avec précision. x = (0,359Z 2)/r2 + 0,744 eff -53- Eléments chimiques R.Welter Licence Physique et Applications Eléctronégativité Valeurs dans la classification périodique -54- S1
