Classification périodique des éléments

Chimie 1 Classification périodique des éléments
Lycée Polyvalent de Montbéliard - Physique-Chimie - TSI 1 - 2016-2017
Contenu du programme officiel :
Notions et contenus Capacités exigibles
Atomes et éléments.
Electrons, protons, neutrons.
Le noyau : nombres Z, A, isotopes.
- Donner la composition d’un élément à partir de A et Z.
- Comparer les ordres de grandeur de la dimension d’un atome à celle de
son noyau.
- Estimer l’ordre de grandeur de la masse d’un atome.
Nombres quantiques n,`,m`et ms. - Établir un diagramme qualitatif des niveaux d’énergie électronique d’un
atome donné.
Configuration électronique d’un atome et d’un ion mo-
noatomique.
Électrons de cœur et de valence.
- Établir la configuration électronique d’un atome dans son état fonda-
mental (la connaissance des exceptions à la règle de Klechkowski n’est pas
exigible).
- Prévoir la formule des ions monoatomiques d’un élément.
Classification périodique des éléments. - Relier la position d’un élément dans le tableau périodique à la configu-
ration électronique et au nombre d’électrons de valence de l’atome corres-
pondant.
- Positionner et reconnaître dans le tableau périodique métaux et non
métaux.
- Situer dans le tableau les familles suivantes et énoncer leurs caractéris-
tiques : métaux alcalins, halogènes et gaz nobles.
En gras les points devant faire l’objet d’une approche expérimentale.
Table des matières
1 La structure de l’atome 1
1.1 Lenoyau................................................. 1
1.2 Le nuage électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Les éléments et espèces chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Les nombres quantiques 3
2.1 Rappel sur les spectres des atomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Les nombres quantiques n,l,mlet ms................................ 3
2.3 Les configurations électroniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.4 État fondamental, excité et ions monoatomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Le tableau périodique 5
3.1 Généralités................................................ 5
3.2 Familles particulières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
La recherche et la classification des différents éléments physiques est une constante de la recherche
humaine. De nombreuses classifications ont été établies puis abandonnées au cours des siècle en lien avec
les avancées scientifiques. La mécanique quantique fournit aujourd’hui les moyens théoriques pour expliquer
la classification utilisée aujourd’hui, celle de Mendeleïev.
1 La structure de l’atome
1.1 Le noyau
Définition. Le noyau d’un atome est composé de nucléons qui sont de deux types
les protons ;
les neutrons.
Typiquement, la taille du noyau atomique est de l’ordre de 10−14 m à 10−15 m.
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La masse des différents constituants de l’atome vaut pour
le neutron mn= 1.675 ×10−27 kg ;
le proton mp= 1.672 ×10−27 kg ;
l’électron me= 9.109 ×10−31 kg.
On remarque que memn≈mp≈mnucleon.
Définition. On définit le nombre de masse d’un noyau noté Acomme le nombre de nucléons de celui-ci.
Dans ce cas, la masse md’un atome sera
m≈Amnucleon .
Les neutrons sont des particules électriquement neutre, ainsi la charge du noyau est portée par les
neutrons. On rappelle que le proton porte la charge +e= 1.6×10−19 C, l’opposé de la charge d’un électron.
Définition. On note le nombre de proton d’un noyau Z. La charge Qd’un noyau est alors
Q=Ze .
1.2 Le nuage électronique
Chaque atome, dans son état fondamental, est électriquement neutre. Or chaque électron porte la charge
−e(négative).
Propriété. Chaque atome dans son état fondamental est entouré par Zélectrons, autant que de protons.
Les électrons ont une énergie très bien définie. La mécanique quantique impose qu’ils soient délocalisés
autour du noyau, ils n’ont pas de position et de vitesse précise définie en chaque instant. L’électron est
donc ainsi délocalisé dans un nuage électronique. Ainsi, une représentation mentale correcte d’un atome
n’est pas la figure 1a mais plutôt la figure 1b.
Neutron •
Électron
(a) Mauvaise image d’un atome d’hydrogène.
Nuage électronique
Neutron
(b) Image correcte d’un atome d’hydrogène.
Fig. 1 – Bonne et mauvaise représentation mentale d’un atome d’hydrogène.
Propriété. La taille du nuage électronique d’un atome est de l’ordre 100 pm soit 10−10 m. Un atome est
donc essentiellement vide.
Les propriétés chimiques d’un atome sont imposées par certains de ces électrons, ce que nous allons
détailler par la suite.
1.3 Les éléments et espèces chimiques
ILes éléments chimiques
Définition. Un élément chimique regroupe l’ensemble des atomes ou ions qui ont un même nombre de
protons. Ce nombre est le numéro atomique Z.
Il existe 118 éléments chimiques distincts à l’heure actuelle, dont 92 naturels.
Exemple 1 : Exemples d’éléments chimiques identiques :
Bl’hydrogène H, l’ion H+, le deutérieum De (noyau composé d’un proton et d’un neutron) ;
Ble calcium Ca, l’ion calcium Ca2+.
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ILes nucléides
Définition. Un nucléide regroupe l’ensemble des atomes ou ions dont les noyaux ont le même nombre
de protons Zet de neutrons A−Z. On les note
A
ZX
avec X le symbole de l’élément chimique imposé par le nombre de protons, Z le nombre de protons et A
le nombre de nucléons.
Il en existe actuellement environ 1500, dont 300 naturels.
Exemple 2 : H et H+correspondent au nucléide 1
1H tandis que le deutérium De correspond
au nucléide 2
1H.
ILes isotopes
Définition. Les isotopes d’un éléments sont l’ensemble des nucléides avec le même nombre de protons Z
avec avec un nombre de neutrons différents.
Exemple 3 : Les nucléides 1
1H, 2 1H et 3 1H sont des isotopes.
2 Les nombres quantiques
2.1 Rappel sur les spectres des atomes
Le spectre des atomes est quantifié. Ainsi, une raie lumineuse corres-
pond à une transition entre niveaux énergétiques quantifiés d’électrons.
Par exemple, les niveaux d’énergie des électrons autour d’un atome
d’hydrogène sont donnés par En=−13.6
n2(en électron-Volt). On voit ap-
paraître un entier naturel n.
Énergie
E0
E1
E2
Expérience 1 : TP 07 - Spectrométrie
2.2 Les nombres quantiques n,l,mlet ms
Tout comme pour l’hydrogène, tous les niveaux électroniques des atomes et les énergies des électrons
qui correspondent sont définies par des nombres quantiques.
Définition. Les nombres quantiques sont au nombre de 4 :
BLe nombre quantique principal m:c’est un nombre entier non nul qui détermine la couche
quantique.
BLe nombre quantique secondaire l:c’est un nombre entier qui détermine le nombre de niveaux
sur la couche quantique n. Il est défini par 0≤l≤n−1. L’énergie d’un niveau est définie par le doublet
(n, l).
Ce nombre est noté par une lettre : nombre l0 1 2 3 4
lettre correspondante s p d f g Chaque niveau est noté
nl avec lsous forme de lettre.
BLe nombre quantique magnétique ml:c’est en entier qui détermine le nombre de cases quantiques
dans le niveau quantique (n, l). Il est défini par −l≤ml≤l.
Dans un même niveau quantique, il y a donc 2l+ 1 cases de même énergie, on dit que le niveau est
dégénéré.
BLe nombre quantique de spin ms:il faut simplement +1
2ou −1 2. C’est une caractéristique purement
quantique de l’électron.
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Remarque : Il est conseillé de construire une phrase mnémotechnique pour retenir l’ordre des
lettres spdf.
Exemple 4 : Prenons la couche n= 2. Sur cette couche, le nombre lpeut avoir 0, 1 ou 2, ce
qui fait trois sous-couches notées 2s, 2p et 2d.
Sur la couche s, le nombre speut valoir uniqument 0, ce qui fait une cases quantiques. On
le représente .
Sur la couche p, le nombre mlpeut valoir -1, 0 ou 1 , ce qui fait trois cases quantiques. On
le représente .
Sur la couche d, le nombre mlpeut valoir -2, -1, 0, 1 ou 2, ce qui fait cinq cases quantiques.
On le représente .
2.3 Les configurations électroniques
Pour construire les configurations électroniques d’un atome, il faut respecter les trois règles suivantes.
ILe principe d’exclusion de Pauli
Définition. Deux électrons ne peuvent pas être décrits par quatre nombres quantiques identiques.
Autrement dit, pour une case quantique donnée (n, l, ml), il ne peut y avoir que deux électrons car le
quatrième nombre msne peut avoir que ±1
2. On représente un électron par une flèche vers le haut ou vers
le bas dans une case.
Un électron célibataire dans une case quantique : .Deux électrons dans une case quantique : .
ILa règle de Klechkowsky
Définition. L’énergie En,l d’un niveau électronique est une fonction croissante de n+let, pour un même
n+l, une fonction croissante de n.
Autrement dit, les énergies sont classées comme E1,0< E2,1< E2,2< E3,1<...
Propriété. Pour retenir la construction, on retiendra la construction suivante.
n
l
1
2
3
4
5
6
n+l
fixé
1s
2s2p
3s3p3d
4s4p4d4f
5s5p5d5d
Fig. 2 – Construction du diagramme énergétique
grâce à la règle de Klechkowsky.
Énergie des niveaux
1s
2s
2p
3s
3p
4s
3d
4p
5s
Fig. 3 – Le diagramme énergétique grâce à la règle de
Klechkowsky. On indique le nombre de case quantique
pour chaque niveau.
ILa règle de Hund
Définition. Pour un atome dans son état fondamental, les électrons se disposent par ordre d’énergie
croissante et, pour des niveaux dégénérés, en occupant le maximum de case avec des électron de spin
parallèles.
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E
1s
2s
2p
Carbone : Z= 6
Noté : 1s22s22p2
E
1s
2s
2p
Azote : Z= 7
Noté : 1s22s22p3
E
1s
2s
2p
Oxygène : Z= 8
Noté : 1s22s22p3
Application 1 : Donner la configuration électronique du gallium Ga (Z= 31) et de l’iode I
(Z= 53).
IÉlectrons de cœur et de valence
Définition. On appelle
électrons de valence les électrons sur les dernières couches en cours de remplissage (depuis la dernière
couche sremplie) ;
électrons de cœur sont les électrons précédents les électrons de valence.
Exemple 5 : Pour le carbone, la partie 1s2correspond aux électrons de cœur et la partie
2s22p2correspond aux électrons de valence.
2.4 État fondamental, excité et ions monoatomique
Définition. Un atome dans son état fondamental est un atome au repos. Les électrons respectent les
règles de remplissage des couches électroniques décritent ci-dessus.
Définition. Un atome dans un état excité est un atome qui a eu un apport d’énergie. Les électrons
respectent les règles de Pauli et de Klechkowsky mais pas la règle de Hund.
Définition. Un ion monoatomique stable d’un élément est obtenue en ajoutant ou enlevant des électrons
dans la configuration électronique pour gagner en stabilité énergétique. En général, l’ion monoatomique
aura la configuration du gaz noble le plus proche.
Exemple 6 : Le Chlore (Z= 17) a une configuration 1s22s22p63s23p5. Pour remplir la
dernière couche 3p, on lui ajoute un électron ce qui amène à la configuration 1s22s22p63s23p6
et l’ion correspondant est le Cl–.
Pour le Sodium (Z= 11), sa configuration est 1s22s22p63s1. En perdant un électron, il
stabilise sa configuration pour arriver à 1s22s22p6d’où l’ion Na+.
Application 2 : Donner l’ion monoatomique de l’iode (Z= 53), du magnésium (Z= 16) et du
fluor (Z= 9).
3 Le tableau périodique
3.1 Généralités
La construction historique du tableau actuellement utilisée a d’abord été expérimentale. En effet, les
éléments d’une même colonne ont des propriétés physico-chimiques proches. Certains éléments inconnus ont
donc pu être anticipé théoriquement en constatant des trous dans le tableau périodique. La forme actuelle
de la classification date de 1869 et a été réalisée par le chimiste russe Mendeleïev. Un tableau numérique
interactif est disponible sur le site [1]. Le tableau complet est disponible figure 6 page 8.
Le tableau est composé de 3 blocs principaux représentant les niveaux électroniques s,pet d.Ilya
en tout 18 colonnes (ou familles). Le bloc f, comptant 14 cases, est représenté en dessous par soucis
de place. Un bloc est une couche en cours quantique de remplissage.
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