LES ELEMENTS CHIMIQUES

LES ELEMENTS CHIMIQUES
1.LA CLASSIFICATION PERIODIQUE DE MENDELEÏEV
En 1869, le chimisme russe Dimitri Ivanovitch Mendeleïev rangea les 63 éléments
chimiques connus à son époque dans un tableau. Il les disposa verticalement dans l’ordre
croissant de leur masse atomique, puis il les décala dans des colonnes en fonction de leurs
propriétés chimiques particulières. Les cases restées vides dans cette première ébauche
de la classification des éléments lui permirent de prévoir l’existence et les propriétés de
corps qui n’avaient pas encore été découverts.
La classification périodique compte aujourd’hui 112 éléments rangés horizontalement en
ordre croissant de numéro atomique qui indique le nombre de protons dans le noyau de
chaque atome. Les éléments chimiques d’une famille sont disposés dans la même
colonne : ils ont le même nombre d’électrons sur leur couche externe et présentent des
propriétés chimiques très voisines. Les éléments chimiques placés dans la même rangée
ont la même période, c’est-à-dire le même nombre de couches électroniques.
On distingue 6 groupes principaux dans le tableau périodique : les métaux, les semi-
conducteurs, les non-métaux, les halogènes, les gaz rares, les lanthanides et actinides.
Halogènes
Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006.

2. LES GRANDS GROUPES D’ELEMENTS DU TABLEAU DE MENDELEÏEV
Les métaux occupent une place prépondérante parmi tous les éléments chimiques
existants. Ce qui les caractérise, c’est qu’ils peuvent tous donner un oxyde basique en se
combinant avec de l'oxygène. Par exemple l'oxydation du fer produit la rouille ou hématite
dont la formule est Fe2O3. Quand ils sont solubles, les oxydes métalliques forment des
solutions basiques. Les métaux sont généralement solides dans des conditions ordinaires,
sauf le mercure et présentent un éclat particulier. Ils sont ductiles, malléables et ont une
assez grande densité. Ce sont pour la plupart de très bons conducteurs de chaleur et
d’électricité.
Les semi-conducteurs constituent un groupe qui ne comprend que huit éléments naturels
mais le silicium est un semi-conducteur très répandu sur Terre. Ce sont des corps qui
présentent une conductivité électrique moyenne, intermédiaire entre les métaux et les
isolants et dont la résistivité augmente avec la température. Dans le silicium par exemple,
certains électrons très faiblement liés à leurs atomes peuvent devenir des électrons de
conduction, mais c’est la présence d'impuretés qui permet de réduire considérablement la
résistivité des semi-conducteurs utilisés dans les composants électroniques.
Les non-métaux sont des éléments chimiques qui n’appartiennent ni à la famille des
halogènes, ni à la famille des gaz rares. Leurs propriétés physiques les différencient
nettement des métaux car ils conduisent mal la chaleur et l'électricité. Ils ont un aspect
terne et ne sont ni malléables, ni ductiles. On trouve 7 éléments dans cette famille :
l’hydrogène, le carbone, l’azote, l’oxygène, le phosphore, le soufre et le sélénium. Si on
ne prend pas en compte l’hydrogène qui est un élément tout à fait particulier, les non-
métaux aussi nommés métalloïdes, ont la capacité de gagner un ou plusieurs électrons et
forment généralement des liaisons ioniques avec les métaux. (Exemples : FeS sulfure de
fer, Al2S3 sulfure d’aluminium.) Ils se comportent comme des oxydants au cours des
réactions chimiques en captant des électrons. Quand ils se combinent entre eux, ils
partagent généralement des électrons pour former des composés covalents. (O2, N2 …)
Les halogènes sont des non-métaux qui ne conduisent pas le courant électrique. Ils ont un
aspect terne et ne sont pas malléables. Les éléments chimiques de cette famille sont le
fluor, le chlore, le brome, l’iode et l’astate. On les trouve sous forme de molécules
diatomiques dans la nature à l'état solide, liquide ou gazeux. Les halogènes possèdent 7
électrons périphériques et leur configuration électronique la plus stable se fait donc par
gain d'un électron avec lequel ils forment un ion négatif appelé ion halogénure. (Cl- : ion
chlorure, Br - : ion bromure ,I- :ion iodure.) Ces éléments très électronégatifs réagissent très
fortement en présence d’éléments métalliques pour former des sels. Par exemple CsCl le
chlorure de césium.(Halogène vient du grec halo qui veut dire sel.) Le plus connu d’eux
eux, le chlorure de sodium de formule brute NaCl est notre sel de table formé par la
réunion d'un cation Na+ et d'un Cl- anion. Tous les chlorures des atomes métalliques sont
des sels. Leurs solutions conduisent l'électricité.
Les gaz rares ou gaz nobles sont situés dans la huitième colonne du tableau et possèdent
donc une couche électronique externe complète. Les atomes de cette famille sont très peu
réactifs en raison de cette couche saturée en électrons. Ces éléments sont très stables,
leurs liaisons avec d’autres atomes sont donc quasiment impossibles. On a pu toutefois
fabriquer quelques composés avec le xénon dans des conditions de hautes températures
et de hautes pressions. L’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon, et le radon sont des
gaz rares.
Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006.

Les lanthanides sont représentées par une douzaine d’éléments chimiques métalliques.
Ils sont assez répandus dans la croûte terrestre et notamment dans les granites. Leur
appellation de «
terres rares » est due à la rareté des gisements exploitables dans le
monde. Ce terme désigne également les oxydes présents dans le minerai et dont sont
extraits les lanthanides. Le lanthane a donné son nom à cette famille dont les éléments
entrent dans la composition de nombreux alliages et sont l'objet de recherches en
physique. Certains scientifiques considèrent les lanthanides comme les matériaux du
XXIe siècle.
Les actinides constituent une série de quinze éléments radioactifs. Seuls les quatre
premiers éléments ont été trouvés en quantités notables dans la nature : l'actinium, le
thorium, le protactinium et l'uranium. Les actinides dont les numéros atomiques sont
supérieurs à 92 sont des éléments synthétisés (transuraniens).
3. LES PROPRIETES DES FAMILLES D’ELEMENTS DU TABLEAU DE MENDELEÏEV
Les éléments d’une même colonne forment une famille dont le nom est déterminé par
l’élément occupant la position la plus élevée. (Exemple : la famille du carbone.) Certaines
familles ont reçu des appellations particulières en raison de leurs propriétés chimiques plus
marquées.
La famille des alcalins.
Les éléments de la famille du lithium sont appelés les
alcalins parce qu’ils réagissent violemment au contact de
l’eau, avec laquelle ils forment un alcali c’est-à-dire une
base. En raison de leur très grande tendance à l’oxydation et
de leur très grande réactivité avec l’air et l’eau, on les
conserve dans de l’huile. Ces métaux de couleur blanc-
argenté ont une structure cristalline cubique centrée. Ils sont
mous, malléables et légers et ils fondent à des températures peu élevées. Ce sont
d’excellents conducteurs de courant électrique qui établissent des relations ioniques avec
les non-métaux.
Lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), césium (Cs) et francium (Fr)
La famille des alcalino-terreux.
La famille du béryllium porte ce nom car ses éléments
entrent dans la composition de nombreuses roches. En
solution, ils ont aussi les propriétés d’une base de formule
X(OH)2 (ex :hydroxyde de baryum), où X représente un
élément alcalino-terreux. Ils forment des métaux solides, gris
à éclat métallique et ont une dureté supérieure à celle des
alcalins. Ils sont aussi très électropositifs et réagissent donc
aisément avec de nombreux non-métaux avec lesquels ils
ont des réactions chimiques moins violentes mais proches de leurs voisins alcalins. Ce
sont aussi d’excellents conducteurs d’électricité. Leur température de fusion est nettement
plus élevée que celle des alcalins.
Béryllium(Be), magnésium(Mg), calcium(Ca), strontium(Sr), baryum(Ba), radium(Ra)
Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006.

La famille des métaux de transition.
Il existe une trentaine éléments chimiques dans cette famille.
Ces métaux de transition sont moins réactifs que les métaux
alcalins et alcalino-terreux mais ils peuvent établir des
liaisons chimiques pour former des alliages en se combinant
entre eux ou avec d'autres métaux. Ces nombreux alliages
qui offrent des propriétés mécaniques particulières sont
largement utilisés dans différents secteurs industriels. Les
métaux de transition ont des propriétés physiques et
chimiques variables : ils réagissent différemment selon les corps chimiques en présence
mais se comportent généralement comme des éléments réducteurs. Dans les réactions
chimiques, ils perdent la plupart du temps des électrons pour former des ions chargés
positivement. Le fer par exemple peut donner plus d'un ion positif parce qu'il existe sous
deux formes, Fe 2+ et Fe 3+.
Scandium(Sc), titane(Ti), vanadium(V), chrome(Cr), manganèse(Mn), fer(Fe), cobalt(Co),
nickel(Ni), cuivre(Cu), zinc(Zn), yttrium(Y), zirconium(Zr), niobium(Ni), molybdène(Mo),
tchénédium(Tc), rhuténium(Ru), rhodium(Rh), palladium(Pa), argent(Ag), cadmium(Cd),
afnium(Af), tantale(Ta), tungstène(W), rhénium(Re), osmium(Os), iridium(Ir), platine(Pt),
or(Au), mercure(Hg), galium(Ga), aluminium(Al), indium(In), thallium(Ti), plomb(Pb),
étain(Sn), bismuth(Bi), uranium(U).
Les halogènes
Les membres de la famille du fluor sont classés dans
l’avant-dernière colonne du tableau de classification
périodique. Ce sont des non-métaux qui ont un aspect
terne et ne sont pas malléables. Le mot halogène signifie
«générateurs de sels» car on trouve ces éléments dans la
nature sous forme de sels. Ils sont toxiques, corrosifs et
bactéricides et ne conduisent pas le courant électrique.
Ces corps réagissent violemment avec métaux en raison
de leur forte électronégativité. Avec 7 électrons périphériques, ces éléments cherchent à
en acquérir un huitième pour se rapprocher de la stabilité d’un gaz rare soit par un lien
ionique soit par un lien covalent. Par exemple, le brome réagit avec le sodium qui cède
son électron externe. C’est une liaison ionique qui produit un composé stable NaBr. Si le
brome réagit avec le soufre, il y aura un lien covalent car les atomes ont une
électropositivité proche: 2 atomes de Brome de valence 1 partagent chacun un électron
avec 1 atome de Soufre bivalent pour former du SBr2. Les corps halogènes forment des
sels avec les alcalins et des acides forts avec l’hydrogène. A température ordinaire,
certains de ces éléments sont gazeux (fluor et chlore),un autre est liquide (brome) enfin
d’autres sont à l’état solide (iode et astate).
fluor (F), chlore (Cl), brome (Br), l’iode (I), l’astate (At)
Les gaz inertes.
On les nomme aussi gaz rares en raison de leur grande
stabilité chimique. Ces gaz ne forment pas de composés
avec les autres éléments en raison de l’absence presque
totale de réactivité chimique.
hélium (He), néon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr),
xénon(Xe), radon (Rn)
Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006.

3/ CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE ET TABLEAU PÉRIODIQUE
Les découvertes sur la structure interne de l’atome précisent que les électrons se
répartissent préférentiellement en plusieurs couches à différentes distances du noyau de
l’atome. C’est dans ces couches électroniques appelées orbitales, qu’on a le plus de
chances de trouver un électron. Dans le tableau de classification périodique, les éléments
chimiques d’une famille sont rangés dans la même colonne : ils ont le même nombre
d’électrons sur leur couche externe ce qui leur donne des propriétés chimiques très
voisines.
Nombre de couches et période :
Le nombre de couches électroniques que possède un élément est donné par le numéro
de la ligne du tableau dans laquelle il se trouve : c’est ce qu’on appelle la période. Les
sept rangées du tableau renferment donc respectivement des éléments chimiques qui
possèdent un nombre de couches variant de un à sept.
Exemples de quelques éléments du tableau :
 La première période ne contient que deux éléments : l’hydrogène et
l’hélium. Ceux-ci ne renferment qu’une seule couche électronique qui
ne peut contenir que deux électrons maximum. Cette couche se situe
près du noyau, son diamètre est très petit et les électrons ont
tendance à se repousser.
 La deuxième et la troisième période comprennent chacune huit
éléments. Le lithium possède trois électrons. Deux de ces électrons
évoluent dans la première couche électronique et sont très liés au
noyau. Le troisième électron se situe dans la deuxième couche, plus
éloignée du noyau. Les sept éléments qui suivent le lithium
possèdent successivement 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 électrons sur la
deuxième couche électronique.
 Le sodium est le premier élément de la troisième période. Il possède
donc un seul électron de valence sur la troisième couche. Les
électrons de la couche sous-jacente se disposent par paire ou
doublet d’électrons. Cette configuration particulière par doublets
d’électrons est la conséquence d’un certain nombre de principes
physiques et de la répulsion électrostatique des électrons.
Répartition des électrons
Les couches électroniques correspondent à différents niveaux d’énergie caractérisés par
un nombre entier n, nombre quantique principal. Les électrons évoluant autour du noyau
de l’atome possèdent une énergie correspondant à la couche dans laquelle ils se
trouvent. . Chacune des couches peut contenir un maximum théorique de 2n2 électrons. Il
ne peut cependant pas y avoir plus de huit électrons sur la dernière couche électronique.
Rang de la période = n 1 2 3 4
Maximum d’électrons = 2n22 8 18 32
Pour connaître la répartition des électrons sur chacune des couches électroniques, on
doit observer les principes suivants :
 On remplit les couches par ordre : la première, la deuxième, la troisième, etc.
 La dernière couche d’un atome donné ne contient pas plus de 8 électrons.
 Dans le cas des éléments de transition, les électrons se rajoutent sur l’avant-
dernier niveau. ( la sous-couche d).
 Les éléments de transition possèdent 1 ou 2 électrons sur leur dernière couche.
. (Les électrons de la sous-couche d sont aussi des électrons de valence.)
Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006.