Atomistique (suite). Classification périodique.
publicité
10/22/2012 CHAPITRE V. 1 Atomistique (suite). Classification périodique. V. 1. Origines de la classification périodique des éléments. La notion d’élément est plus générale que celle d’atome. Un élément chimique est caractérisé par la valeur du numéro atomique Z (commun à l’ensemble des isotopes qui le constituent. numéro atomique Z E A masse atomique Symbole d’un élément 17Cl35 et 17Cl37 : deux isotopes appartenant au même élément 2 1 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Découverte des éléments progressive: Boyle (1627 – 1691): cite 12 éléments; Lavoisier (1734 – 1794): mentionne 31 éléments; 1850: 60 éléments; En 2004 : 112 éléments connus • 90 éléments (de Z = 1 à 92 (sauf Z = 43 et 61) existent dans la nature; • les autres ont été obtenus artificiellement par des réactions nucléaires. Les atomes lourds sont instables: désintégration de plus en plus rapide lorsque Z croît. Les derniers éléments (Bk, Cf, Es..) ont une durée de vie très 3 courte. Analogie dans les propriétés : vers 1830 – 1850: famille des halogènes (Cl, Br, I), métaux alcalins (Na, K, Li); Périodicité dans les propriétés : vers 1860 : rangement par ordre croissant des masses atomiques – périodicité dans les rayons atomiques, énergie d’ionisation; 4 2 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Tableau périodique de Mendeleiev: 1869: D. I. Mendeleiev (1834-1907): à proposé la classification des éléments au sein d’un tableau formé de lignes et de colonnes où les éléments ont été rangés dans l’ordre des masses atomiques croissantes. 5 • les éléments étaient classés par ordre de masse atomiques. • les éléments ayant des propriétés semblables étaient classés sur la même colonne. • Pour que sa classification tienne compte des familles il n’hésita pas à inverser l’ordre de certains éléments et à laisser des cases vides. 6 3 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 • Il pensait qu’on découvrirait plus tard les éléments manquants. Il décrivit par avance les propriétés que devraient avoir ces éléments. • Ces éléments furent bien découverts par la suite et ils présentaient bien les propriétés prévues. 7 8 4 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 V. 2. Classification périodique moderne. • Classification selon la valeur croissante du numéro atomique Z; • 7 lignes – périodes et 18 colonnes – groupes; • Les propriétés chimiques similaires se trouvent dans un même groupe – familles des éléments. 9 Familles chimiques: Les éléments d’une même colonne constituent ainsi un groupe et certains ont reçu un nom particulier: Colonne 1 : métaux alcalins; Colonne 2 : métaux alcalino-terreux; Colonnes 3 – 11: éléments de transition; Colonne 16: chalcogènes; Colonne 17 : halogènes; Colonne 18 : gaz rares (gaz nobles, gaz inertes). 10 5 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 11 Métaux et non-métaux: H Non métal He Métal (ou métalloïde) Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Sr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Di Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Em Md No Lr 12 6 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Métaux: 75% • un éclat brillant; • une bonne malléabilité et ductilité (étirés et allongés sans se rompre); • bons conducteurs (électriques, thermiques); • solides à 298 K, sous 1 bar sauf le mercure (Hg) liquide; • donnent des cations, leurs oxydes sont basiques: Exemple : Mg Mg2+ et MgO + H2O Mg(OH)2 13 Non-métaux : • isolant: mauvais conducteurs de la chaleur et de l’électricité; • généralement pas d'éclat; • pas malléables ni ductiles; • gaz, liquide ou solide à 298 K, sous 1 bar; • donnent des anions, leurs oxydes sont acides: Exemple : S S2- et SO2 + H2O H2SO3 (acide sulfureux) 14 7 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Séparation entre métaux et non-métaux: • La limite entre deux familles n’est pas nette; • Plus un élément est situé à droite et en haut dans le tableau périodique et plus c'est un non-métal; • Les halogènes ont le caractère des non-métaux; • Les métaux alcalins ont le caractère le plus métallique; • La séparation est indiquée par la ligne noire, mais on appelle parfois semi-métaux les métaux qui se situent à proximité de cette frontière (Si, Ge, As, Sb); 15 • Règle de Sanderson. Semi-métaux : Si, Ge, As, Sb 16 8 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Règle de Sanderson: Un élément est métallique si le nombre d ’électrons de sa couche de n le plus élevé est inférieur ou égal au numéro de sa période (sauf H, Ge et Sb). 17 Exemple: Mg : Z = 12 = 10 + 2 (Ne) 3s2. Il y a 2 électrons sur n = 3 et appartient à la période 3. 2 < 3 Mg est un métal. Ga : Z = 31 = 18 + 13 (Ar) 3d10 4s2 4p1. 3 électrons sur n = 4 et appartient à la période 4. 3 < 4 Ga est un métal. 18 9 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 V. 3. Classification périodique et configuration électronique. Il y a corrélation entre la configuration électronique, le nombre d’électrons de valence d’un élément et sa place dans la table périodique. 1) Tous les éléments d’une même période ont la même valeur du nombre quantique n pour la couche de valence. Exemple: Li(Z = 3): [He]2s1 F(Z = 9): [He]2s22p5 19 Les électrons de valence : la couche n=2. 2) Les éléments appartenant à une même colonne ont la même structure électronique externe (même structure de la couche de valence). Ex: Li(Z = 3): [He]2s1 Na(Z = 11): [Ne]3s1 K(Z = 19): [Ar]4s1 Be(Z = 4): [He]2s2 Mg(Z = 12): [Ne]3s2 Ca(Z = 20): [Ar]4s2 F(Z = 9): Cl(Z = 17): Br(Z = 35): [He]2s22p5 [Ne]3s23p5 [Ar] 4s24p5 Les éléments du groupe 1 ont la configuration électronique ns1 Les éléments du groupe 2 ont la configuration électronique ns2 Les éléments du groupe 17 20 ont la configuration électronique ns1np5 10 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 3) Eléments d’une même colonne présentant la même structure de couche de valence: Propriétés chimiques similaires. 4) La classification est divisée en « blocs »: s, p, d, f en fonction de la structure électronique des éléments. 21 Blocs s, p, d, f. Colonnes 1 et 2: Bloc s car la couche de valence est ns1 (pour groupe 1-métaux alcalin et ns2 (pour groupe 2-métaux alcalino-terreux) 22 11 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Colonnes 3-12: Bloc d – métaux de transition car la couche de valence est ns2(n-1)dm (m = 1 – 10) 23 Colonnes 13-16: métaux post-transitionnels car la couche de valence est ns2npm (m = 1 – 4) 24 12 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Colonnes 13-17: Bloc non-métaux car la couche de valence est ns2npm (m = 1 – 6) 25 Colonnes 16: Chalcogènes car la couche de valence est ns2np4 26 13 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Colonnes 17: Halogène car la couche de valence est ns2np5 27 Colonnes 18: Gaz rares (gaz inertes, gaz nobles) car la couche de valence est ns2np6 28 14 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Famille des éléments f: Lanthanides: la couche de valence est ns2(n-2)fm (n = 6; m = 1 - 14) 29 Actinides: éléments radioactifs la couche de valence est ns2(n-2)fm (n=7; m = 1 - 14) 30 15 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 V. 5. Classification périodique et rayons atomiques. La taille des atomes, définie par la valeur de leur rayon, varie de manière périodique et avec le numéro atomique et, par conséquent, dépend de la position de l’élément dans le tableau périodique. 31 Rayon atomique. Le rayon atomique est égal à la distance ra pour laquelle la densité de probabilité radiale associée aux électrons les plus externes est maximale. Le rayon atomique diminue quand on se déplace de gauche à droite sur une ligne (par exemple de Li à Ne). Le rayon atomique augmente brusquement quand on passe de la fin d’une ligne au début de la suivante. 32 16 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 ra 33 34 17 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Rayon covalent. Le rayon covalent est par définition la moitié de la longueur de la liaison (simple) entre deux atomes identiques. 35 Rayon ionique. La formation d’un ion à partir d’un atome s’accompagne d’une variation de volume; Le concept de rayon ionique est utilisé pour exprimer la taille des ions. 36 18 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Le rayon ionique est déterminé à partir de la distance entre cation et anions voisins dans un cristal ionique, en supposant que la distance internucléaire est égale à la somme des rayons de ces ions. 37 En réalité, le rayon ionique n'est pas vraiment une constante car il dépend de la valence, de la coordinence et de l'état de spin de l'ion considéré. Généralement, sa valeur moyenne pour les cations est calculée à partir des distances mesurées dans plusieurs oxydes, en prenant pour référence le rayon ionique de l'ion O2- (estimé à 1,4 Å). 38 19 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Relations entre rayon ionique et rayon atomique: • chez les cations, chargés positivement: le rayon ionique est plus petit que le rayon atomique et diminue si la charge augmente ; • chez les anions, chargés négativement: le rayon ionique est plus grand que le rayon atomique et grandit si la charge augmente. 39 V. 4. Classification périodique et formation des ions. La nature des ions, anions ou cations, qui peuvent se former à partir d’un atome, et la facilité avec laquelle ils se forment, varie de manière périodique avec le numéro atomique et, par conséquent, dépend de la position de l’élément dans le tableau périodique. 40 20 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Energie d’ionisation L’énergie d’ionisation d’un atome est l’énergie minimale à fournir pour arracher le i–er électron à l'atome neutre dans l'état gaz: A(g) → A(g)+ + é L'énergie de première ionisation Ei1 permet de comparer l'aptitude de différents atomes à s'ioniser. 41 EI 42 21 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Dans une même période EIi augmente avec Z du fait de la plus grande attraction exercée par le noyau (ra diminue et l'énergie varie comme l'inverse du rayon). Dans une même colonne (ou groupe), l'augmentation du ra, en affaiblissant l'attraction exercée sur les électrons de valence, entraîne une diminution de EI quand Z augmente. 43 Variation de l'énergie de première ionisation en fonction du nombre atomique Z: Ceci montre qu’il est facile d’enlever l’é à l’extérieur d’une 44 couche saturée. 22 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Energies d’ionisation successives: correspond au départ d’un deuxième, d’un troisième d’un quatrième et etc. é et formations des ions correspondants. A(g) → A(g)+ + é A (g)+ → A(g)2+ + é E2 A(g)2+ → A(g)3+ + é E3 A(g)3+ → A(g)4+ + é E4 A(g)4+ → A(g)5+ + é E5 E1 45 ….. La seconde EI est toujours plus élevée que la première (même si 46 les és arrachés appartiennent à la même sous-couche). 23 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Affinité électronique: Cette grandeur, notée AE, caractérise l'énergie récupérée (signe −) ou cédée (signe +) lors de la fixation d'un électron sur l'atome neutre dans l'état gaz : 47 Cette valeur est généralement faible, sauf pour les halogènes; Elle croît avec Z dans une même période (les atomes cèdent de plus en plus d'énergie lors de la capture d'un électron), mais varie très faiblement quand Z augmente dans une colonne. 48 24 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Affinité électronique en fonction du numéro atomique pour les périodes 2 et 3 de la classification 49 Electronégativité: L’électronégativité est définie dans une entité moléculaire. Cette grandeur sans unité, notée EN, caractérise l'aptitude d'un élément à attirer les électrons lors d'une mise en liaison avec un atome de nature différente. Celle-ci sera donc d'autant plus importante que les valeurs de AE et surtout de EI sont élevées. Plus cette tendance d’attirer les é est forte, plus l’atome est électronégatif. 50 25 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 Il existe plusieurs façon de déterminer l’EN: • EN suivant Pauling: à partir des énergies de liaisons: / - /=0.102 (en kJ/mol) Avec =EA-B -1/2(EA-A + EB-B) • EN suivant Mulliken: à partir des énergies d’ionisation et fixation électronique: = ½ (EI + AE) 51 Evolution d’EN avec Z: à l'intérieur d'une même période : diminution du rayon atomique et donc augmentation de EI et de AE lorsque Z augmente. Il en résulte une augmentation de EN. à l'intérieur d'un même groupe : augmentation du rayon et donc diminution de EI et plus faiblement de AE lorsque Z augmente. Il en résulte une diminution de l'électronégativité EN. 52 L’élément le plus EN est F. Le moins EN est Fr. 26 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) 10/22/2012 53 27 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
