La classification périodique des éléments

Lycée Paul CEZANNE – Aix-en-Provence 2nde – Réforme 2010 http://www.stardustlabs.fr
Partie I – L’Univers La classification périodique des éléments
Les électrons sont organisés en couches électroniques autour du noyau. La première
couche s’appelle K, elle possède au maximum 2 électrons. La deuxième, L, en possède 8
au maximum, la troisième, M, en possède 18, etc.
On attribue à chaque couche un numéro n, et chaque couche contient au maximum
2
2n
électrons :
Nom de la couche K L M N
n1 2 3 4
Nombre max d'électrons
212=2 222=8 232=18 242=32
On commence par remplir la couche de plus petit numéro (couche K). Une fois que celle-
ci est remplie, on passe à la couche de numéro suivant, et ainsi de suite.
Exemples :
Elément Symbole Z Structure Elément Symbole Z Structure
Hydrogène H 1
K1Azote N 7 K2L5
Hélium He 2
K2Oxygène O 8 K2L6
Lithium Li 3
K2L1Fluor F 9 K2L7
Béryllium Be 4
K2L2Néon Ne 10 K2L8
Bore B 5
K2L3Sodium Na 11 K2L8M1
Carbone C 6
K2L4Magnésium Mg 12 K2L8M2
La dernière couche qui contient des électrons est appelée couche externe ou couche
périphérique, et les électrons qu’elle contient sont appelés de même.
Les couches en dessous de la couche externe sont appelées couches internes ou couches
de cœur.
On peut aussi donner la structure électronique des ions monoatomiques : l’ion sodium
23
11 Na
possède 10
électrons (l’atome a perdu un électron), sa structure électronique est donc
28
KL
.

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On peut déterminer la structure électronique des éléments suivants :
Pour l’hélium
2
He Z 2 K
Pour le néon
28
Ne Z 10 K L
Pour l’argon
2 8 8
Ar Z 18 K L M
Pour le krypton
2 8 18 8
Kr Z 36 K L M N
Ces éléments ont une particularité, ils sont tous extrêmement stables : c’est pour ça qu’on
les appelle gaz nobles ou gaz inertes (éventuellement gaz rares, mais le terme est quelque
peu inapproprié).
On remarque que ces atomes ont soit 2
e
soit 8
e
sur leur couche périphérique : on dit
qu’ils ont une structure en duet ou en octet.
Les autres atomes, en dehors des gaz nobles, n’ont pas cette structure et cherchent à l’obtenir pour être stables.
Ils perdent, cèdent ou prêtent des électrons pour y arriver.
Règle du duet : les atomes des éléments dont le numéro atomique est proche de celui de
l’hélium cherchent à avoir 2
e
(structure électronique en duet) sur leur couche
périphérique K pour être stables.
Règle de l’octet : les atomes des autres éléments cherchent à avoir 8
e
(structure
électronique en octet) sur leur couche périphérique (L, M, N, etc.…) pour être stables.
Lithium
21
Li Z 3 K L
ion lithium
2
Li K
Sodium
2 8 1
Na Z 11 K L M
ion sodium
28
Na K L
Chlore
2 8 7
Cl Z 17 K L M
ion chlorure
2 8 8
Cl K L M
Oxygène
26
O Z 8 K L
ion oxydure
28
2
O K L
Aluminium
2 8 3
Al Z 13 K L M
ion aluminium
28
3
Al K L
Les atomes perdent ou gagnent des électrons pour devenir des ions monoatomiques afin
d’acquérir une structure en duet ou en octet qui les rend plus stables.

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Partie I – L’Univers La classification périodique des éléments
Au moment de la mort de Lavoisier (1794), on connaissait déjà une trentaine de corps simples. Soixante-dix
ans plus tard, ce nombre avait doublé. Il devenait urgent de les classer, mais personne n’arrivait à trouver la
logique d’un tel classement.
L'aventure du tableau débute en 1817 avec Johann DOBEREINER, un chimiste russe, qui établit déjà à
l'époque un rapport entre la masse atomique des éléments et leurs propriétés. En 1865, John Alexander
NEWLANDS met en exergue une certaine répétition dans les propriétés des éléments. Il lance alors sa loi des
octets ou des octaves: «Le huitième élément suivant un élément donné ressemblant au premier comme la
huitième note de l'octave ressemble à la première». Arrive ensuite la «vis tellurique» d'Alex BEGUYER de
CHANCOURTOIS, hélice ayant sur son axe vertical la suite des nombres entiers correspondant aux poids
atomiques des éléments. Aucune de ces théories ne sera retenue !
La première véritable version de ce tableau, incomplète car tous les
éléments n'étaient pas encore connus, a été créée par le Russe Dimitri
Ivanovich MENDELEÏEV (8 février 1934 – 2 février 1907) en 1869.
Mendeleïev planche sur un travail semblable, étudiant les 63 éléments
chimiques connus à l'époque. Se faisant, il note qu'en rangeant ces
éléments selon leur masse atomique croissante apparaît alors une nette
périodicité concernant leurs propriétés. Afin de mettre en évidence cette
périodicité, il range les 63 éléments verticalement selon la masse
atomique croissante, changeant de colonne lorsque les propriétés
particulières réapparaissent.
Présenté en 1869 à la société russe de chimie sous l'intitulé: «La
dépendance entre les propriétés des masses atomiques des éléments», le
tableau de l'époque est conçu au départ d'un système ligne/colonne inversé par rapport à celui d'aujourd'hui.
Soucieux de respecter la loi périodique qu'il vient de mettre en place, Mendeleïev laisse des cases vides,
prédisant ainsi les propriétés des éléments manquants via celles de leurs voisins. Mendeleïev sera, on s'en
doute, contesté par ses pairs.
Mendeleïev avait notamment laissé deux cases vides, une pour l’élément qu’il avait appelé ekaaluminium,
proche de l’aluminium, et une autre case proche du silicium, prévoyant leurs masses atomiques et leurs
propriétés chimiques respectives. Un élément appelé Gallium fut découvert en 1875 : il avait exactement la
masse et les propriétés de l’ekaaluminium prédites par Mendeleïev, l’ekaaluminium et le gallium ne faisaient
qu’un. De même, le germanium fut découvert en 1886 avec la masse et les propriétés annoncées : il était bien
voisin du silicium. Ces deux découvertes successives donnèrent entièrement raison à Mendeleïev, l'exactitude et
l'utilité de son tableau seront définitivement acceptées par tous.

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Partie I – L’Univers La classification périodique des éléments
En 1913, la classification évolue : on s'aperçoit que si l’on tient compte des propriétés
chimiques des éléments naturels, les éléments ne doivent pas être classés selon les masses
atomiques mais selon les nombres de charge (numéros atomiques, notés Z).
Les éléments sont donc classés en ligne par numéro atomique croissant, une nouvelle
ligne démarre lorsqu’on retrouve les propriétés chimiques du début de la ligne précédente.
Une ligne du tableau est appelée période, les éléments qui sont sur une même période ont
la même couche périphérique. On donne souvent à la période le nom de la couche
périphérique (K, L, M, etc.). Une nouvelle ligne commence lorsqu’on ajoute une couche à
la structure électronique.
Une colonne du tableau est appelée famille chimique, les éléments d’une même colonne
ont des propriétés chimiques similaires. De plus on constate qu’ils ont le même nombre
d’électrons sur leur couche périphérique.
a. Les gaz nobles
Les gaz nobles, ou encore gaz inertes, ne réagissent pratiquement jamais. Leur très grande stabilité découle du
fait qu’ils ont une structure électronique en duet (hélium) ou en octet (néon, argon, krypton, xénon et radon).
On les appelle aussi gaz rares, mais ce terme est inapproprié (l’hélium est le deuxième élément le plus
abondant dans l’univers, après l’hydrogène). Ils appartiennent à la dernière colonne de la classification.
b. Les halogènes
Les halogènes sont les éléments de l’avant-dernière colonne, ils sont au nombre de cinq : le fluor, le chlore, le
brome, l’iode et l’astate.
Ils sont très utilisés dans la vie courante : phares des voitures, lampes, désinfectants, … Ce sont des éléments
très réactifs, les ions monoatomiques qui dérivent des halogènes sont appelés les ions halogénures.

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Partie I – L’Univers La classification périodique des éléments
c. Les alcalins
Les alcalins sont des métaux de la première colonne qui brûlent dans l’air avec une flamme très vive (jaune
pour le sodium, violet pour le potassium, rouge pour le lithium).
Très réactifs, ils ne se trouvent jamais à l'état élémentaire dans le milieu naturel, et réagissent immédiatement
en présence d'humidité ; on les conserve par conséquent immergés dans de l'huile minérale, par exemple de
l'huile de vaseline.
d. Les alcalino-terreux
Les alcalino-terreux sont les métaux (béryllium, magnésium, calcium, …), situés dans la deuxième colonne
juste à côté des alcalins. Eux aussi peuvent brûler avec une flamme vive dans le dioxygène.
Ces éléments sont caractérisés par une couleur argentée, une faible densité, une grande malléabilité, une
réactivité immédiate aux halogènes ainsi qu'avec l'eau (quoique celle-ci soit moins facile qu'avec les métaux
alcalins) pour former des hydroxydes fortement basiques.
Selon la position des éléments dans la classification, on peut avoir accès à leur structure électronique, donc
leurs propriétés chimiques.
Par exemple, les éléments appartenant à une même famille chimique (donc dans une même colonne) ont le
même nombre d’électrons sur leurs couches externes, c’est justement ce qui explique leurs propriétés
similaires.
Ainsi, les éléments de la première colonne ont un seul électron périphérique. Cela implique une chose
importante : cet électron périphérique peut être facilement perdu pour que l’atome forme un cation métallique
avec une seule charge positive.