classification périodique - chimie.

classification périodique - chimie. 1 PRÉSENTATION classification périodique, en chimie, loi selon laquelle de nombreuses propriétés physiques et chimiques des éléments tendent à se répéter de façon systématique dans l'ordre croissant des numéros atomiques. Le terme classification périodique ou tableau périodique désigne également la représentation graphique de la loi sous forme de tableau regroupant tous les éléments connus. Dans le tableau périodique, les propriétés des éléments se reproduisent avec une certaine périodicité. Ainsi, les atomes séparés par 2, 8, 18 et 32 éléments ont certaines propriétés semblables. Par exemple, le second élément (hélium) a une réactivité chimique semblable au 10 e élément (néon), au 18e (argon), au 36e (krypton), au 54e (xénon) et au 86e élément (radon). Par exemple, la famille chimique des halogènes, constituée des éléments 9 (fluor), 17 (chlore), 35 (brome), 53 (iode) et 85 (astate), regroupe des composés extrêmement réactifs. 2 HISTORIQUE Au début du XIXe siècle, les scientifiques pouvaient déterminer les masses atomiques relatives des éléments connus. Pour ce faire, ils utilisaient les découvertes qui avaient solidement établi la théorie atomique de la matière. Au cours de cette période, les progrès réalisés en électrochimie par les chimistes anglais sir Humphry Davy et Michael Faraday conduisirent à la découverte de nombreux autres éléments. En 1829, un nombre suffisant d'éléments étaient connus : le chimiste allemand Johann Wolfgang Döbereiner observa que certains éléments ayant des propriétés très proches formaient des triades ou groupes de trois éléments. On peut citer les triades : chlore, brome et iode, ou calcium, strontium et barium, ou soufre, sélénium et tellure, ou fer, cobalt et manganèse. Cependant, du fait du nombre limité d'éléments connus et de la confusion entre les masses atomiques et les masses moléculaires, les chimistes ne saisissaient pas l'importance des triades de Döbereiner. En 1859, la mise au point du spectroscope par les physiciens allemands Robert Wilhelm Bunsen et Gustav Robert Kirchhoff, rendit possible la découverte de nombreux autres éléments ( voir spectroscopie). En 1860, au premier Congrès international de chimie, le chimiste italien Stanislao Cannizzaro expliqua que certains éléments, tels que l'oxygène, forment des molécules diatomiques. Cette découverte permit finalement aux chimistes d'établir une liste consistante des éléments. Toutes ces découvertes relancèrent l'intérêt pour l'étude des corrélations entre les propriétés des éléments. En 1864, le chimiste britannique John A.R. Newlands établit le classement des éléments dans l'ordre croissant des masses atomiques, et remarqua qu'un groupe donné de propriétés se retrouve tous les huit éléments. Il appela cette répétition périodique la loi des octaves, par analogie avec les gammes musicales. La découverte de Newlands ne parvint pas à impressionner ses contemporains, probablement parce que la périodicité observée était limitée à un petit nombre d'éléments connus. 3 MENDELEÏEV ET MEYER D'après une règle de chimie, les propriétés de tous les éléments sont des fonctions périodiques de leur masse atomique. Cette loi fut indépendamment établie par deux chimistes : en 1869 par le Russe Dmitri Mendeleïev et, en 1870, par l'Allemand Julius Lothar Meyer. Ils se rendirent compte que les précédentes tentatives avaient échoué en raison du nombre d'éléments à découvrir, et que l'on devait réserver des cases pour ces éléments dans le tableau. Ainsi, même si aucun élément connu n'avait une masse atomique comprise entre celle du calcium et celle du titane, Mendeleïev laissa un espace vacant dans sa table. Plus tard, cet espace fut assigné à l'élément scandium, découvert en 1879 et dont les propriétés justifiaient sa position dans la séquence des éléments. La découverte du scandium s'avéra être l'une des nombreuses vérifications spectaculaires des prédictions de la classification périodique. La validation de cette loi accéléra le développement de la chimie inorganique. La classification périodique a connu deux améliorations principales depuis sa formulation originale par Mendeleïev et Meyer. La première modification consistait à étendre la loi à une nouvelle famille d'éléments dont l'existence était totalement insoupçonnée au XIXe siècle. Ce groupe comprenait les trois premiers gaz nobles ou rares (voir gaz rares) : l'argon, l'hélium et le néon, découverts dans l'atmosphère entre 1894 et 1898 par le physicien britannique John William Strutt, 3e baron Rayleigh et par le chimiste britannique sir William Ramsay. La seconde évolution de la classification périodique fut d'expliquer l'origine de la périodicité des éléments par la théorie de Bohr (1913) concernant la structure électronique de l'atome. 4 TABLEAU PÉRIODIQUE SOUS FORME RÉDUITE Le tableau périodique sous forme réduite est conçu à partir de la table de Mendeleïev, qui a subi des corrections et des additions. Cette classification est toujours largement utilisée. Dans ce tableau, les éléments sont rangés horizontalement dans l'ordre croissant des masses atomiques. Ils occupent sept rangées horizontales appelées périodes et dix-huit colonnes verticales appelés groupes. La première période contient deux éléments, l'hydrogène et l'hélium, et les deux périodes suivantes contiennent chacune huit éléments. Ces trois rangées sont les périodes courtes. Les autres périodes, ou périodes longues, sont constituées de 18 éléments, comme les périodes 4 et 5, ou de 32 éléments comme la période 6. La longue période 7 comprend la série des actinides, complétée par des noyaux radioactifs à partir de l'élément 103, le lawrencium et par les éléments transuraniens. Dans le tableau périodique, les familles des colonnes verticales sont traditionnellement désignées de gauche à droite par des chiffres romains suivis du symbole a ou b. La lettre b se réfère aux groupes des éléments de transition. Un autre procédé de numérotation, de plus en plus populaire, a été adopté par l'IUPAC. Ce nouveau système numérote simplement les colonnes verticales de 1 à 18 de gauche à droite du tableau périodique. Les éléments d'un groupe ont des propriétés réactionnelles très voisines qui diffèrent sensiblement de celles des éléments appartenant aux autres groupes. Par exemple, à l'exception de l'hydrogène, les éléments du groupe 1 (ou Ia) sont des métaux de valence + 1, alors que la colonne 17 (ou VIIa) privée de l'astate regroupe des éléments non métalliques, formant couramment des composés dans lesquels ils ont une valence de - 1. 5 THÉORIE DE LA COUCHE ATOMIQUE Dans la classification périodique, les gaz rares, le plus souvent non réactifs (valence = 0), sont situés entre des métaux très réactifs et des non-métaux de réactivité élevée. Ces éléments ont respectivement une valence de + 1 et de - 1 dans les composés qu'ils forment. Cette caractéristique conduisit à la théorie suivante : la périodicité des propriétés s'explique par l'arrangement des électrons en couches autour du noyau atomique. D'après la même théorie, les gaz rares sont inertes, car leurs couches électroniques sont saturées. Par conséquent, d'autres éléments ont certaines de leurs couches électroniques incomplètes et leur réactivité chimique dépend des électrons de ces couches. Ainsi, dans la classification périodique, tous les éléments précédant un gaz inerte doivent capter un électron pour compléter leur dernière couche électronique : ces éléments ont donc une valence de - 1 dans les composés qu'ils forment, car ils gagnent alors un électron. Les éléments situés après le groupe des gaz rares ont un électron en excès. Ils ont donc tendance à perdre cet électron lors des réactions chimiques, et ont alors une valence de + 1 dans les composés formés. Une étude de la classification périodique basée sur cette théorie montre que la première couche électronique peut contenir jusqu'à 2 électrons, que la seconde couche contient un maximum de 8 électrons, que la troisième sature à 18 électrons, etc. Le nombre total d'éléments d'une période est le nombre d'électrons nécessaires pour parvenir à une configuration stable. La distinction entre les sous-groupes a et b d'un groupe peut également s'expliquer par la théorie de la couche atomique. Les couches de valence des deux sous-groupes ont le même degré d'insaturation. Les sous-groupes diffèrent cependant par les structures des couches inférieures. Ce modèle de l'atome donne encore aujourd'hui une bonne explication de la liaison chimique. 6 THÉORIE QUANTIQUE Le développement de la théorie quantique et son application à la structure atomique par le physicien danois Niels Bohr et d'autres scientifiques a permis d'expliquer totalement la plupart des caractéristiques de la classification périodique. Chaque électron est caractérisé par quatre nombres quantiques définissant son mouvement autour de l'atome. D'après le principe d'exclusion de Wolfgang Pauli, deux électrons du même atome ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques égaux deux à deux. En utilisant ce principe et les règles de sélection régissant les nombres quantiques, les physiciens peuvent déterminer théoriquement le nombre maximal d'électrons nécessaires pour compléter chaque couche. Les scientifiques ont ainsi confirmé les conclusions déduites de la classification périodique. Des études ultérieures sur la théorie quantique ont expliqué pourquoi certains éléments possèdent une seule couche électronique incomplète (couche de valence ou couche périphérique), alors que d'autres ont également des couches inférieures incomplètes. Dans cette dernière catégorie on trouve la famille des métaux des terres rares. Ces 15 éléments ont des propriétés tellement proches que Mendeleïev leur avait réservé une seule case dans sa table. Ce groupe contient la série des lanthanides. 7 FORME DÉVELOPPÉE DU TABLEAU PÉRIODIQUE L'application de la théorie quantique de la structure atomique à la classification périodique a conduit à repenser le tableau périodique : la forme développée du tableau est apparue. Dans ce tableau, chaque période correspond à la construction d'une nouvelle couche électronique. Les éléments appartenant à une même rangée ont des structures électroniques analogues. Le début ou la fin d'une longue période correspond à l'addition d'électrons dans la couche de valence. Dans la partie centrale, le nombre d'électrons augmente dans une couche inférieure. La classification périodique met en relation de nombreuses propriétés différentes des éléments comprenant des propriétés physiques, telles que les points de fusion et d'ébullition, les densités, les structures cristallines, la dureté, la conductivité électrique, la capacité calorifique et la conductivité thermique, ainsi que des propriétés chimiques telles que la réactivité, l'acidité ou la basicité, la valence, la polarité et la solubilité. Voir aussi Éléments chimiques ; Isotopes. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.