Les éléments chimiques: un ensemble d'atomes

« Ainsi , les noyaux légers sont stables lorsque leur noyau possède le même nombre de protons et de neutrons.

Pour les noyaux plus lourds, leur stabilité n'est garan tie que si le nombre de neutrons est une fois et demi supérieur au nombre de protons : les premiers compensent ainsi les répulsions électrostatiques des derniers.

Pour les noyaux dont le nombre de protons est pair, leur stabilité est accrue et elle est augmentée si ce nombre est multiple de 4.

Les noyaux dont le nombre atomique se rapproche de celui du fer (Z = 26) sont de moins en moins stables et au-delà du plomb (Z = 82), les éléments sont tous instables (avec des durées de vie pouvant cependant atteindre des milliards d 'années!) .

Lorsque les noyaux se situent en dessous de la zone de stabili té, cela veut dire qu'ils possèdent trop de neutrons.

Pour revenir dans la zone de stabilité ils doivent donc transformer ces neutrons en protons (désintégration ~-). Au­ dessus de cette zone de stabilité , les noyaux possèdent trop de protons qu'ils doivent transformer en neutrons (dési ntégration W) pour gagner en stabilité.

La désintégration a est elle observée essentiellement pour les atomes lourds.

ÉNERGI ES D E LIAIS O N ET STABILi rt D'UN NOYAU L'énergie de liaison est fonction de la taille et de la masse d'un noyau .

De plus , elle renseigne sur sa stabilité : plus l'énergie de liaison est forte , plus le noyau est stable .

Elle correspond à l'énergie nécessaire à la séparation des éléments d'un noyau .

Ainsi la formation de noyaux stables à partir de noyaux instables correspond à une libération d'énergie de liaison.

Celle-ci peut être libérée au cours de deux types de réactions nucléaires : • la fission nucléaire qui correspond à la formation d'atomes plus légers à partir d'un atome lourd et s'accompag ne d'un dégagement d 'énergie .

• la fusion nucléaire qui correspond à la formation d'un élément chimique à partir des éléments séparés qui le composent (protons, neutrons, électrons ) .

Dan s les deux cas, l'énergie dégagée correspond à la différence d'énergie de liaison des réactifs moins celle des produits de la réaction .

HISTOIRE DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES Les éléments chimiques qui constituent la matière physique nous environnant ont toujours été sujets à la classification.

Dans l'Antiquité, cette classification des éléme nts regroupait quatre grandes familles: l'eau, l'air, la terre et le feu.

Mais progressivement, cette théorie fut fragi lisée par le développement des connaissances et des méthodes expérimentales , pour finalement être abandonnée.

Au X IX' siècle le nombre croissant d'éléments découverts et de leurs propriétés respectives pousse les chimistes à chercher de nouvelles méthodes de classement et d 'organisation .

Dmitri lvanovitch Mendeleïev , alors professeur à La classification périodique de Mendeleïev ........

n III lV v VI VIl VIII lX x Xl Xll Xlll XlV xv XVI XVII XVJJJ ·~ " H .t!! .

1,0 2 Be - 3 .

" 2 3 ,0 24 ...

3 Na .!i.

......

.........

-- " " " .

.

, .

41,1 45 ......

47,151 IO,ISZ 4 K Ca Sc Tl v Cr Mn Fe Co N I Cu .......

- - - .,._ - .,_ - .,_ - ...........

- " ..

~ " " ..

..

" ..

..

" " 33 ..

15,5 ..

17 ,1 • ....

,,.

" ......

...

..

" ·' 112 ,.,,, ,., 102,1 , ..

, ....

,.., 111,t ,.

.....

115114 ,1 120111 ,712:1 1 21,1 121127.1 1Z1 18,1 1 ZI Ut,l 5 Rb Sr y - - - 37 " " "' 1 33 ,1 Ul 111 ,3 ,.

, ...

6 Cs Ba La """"" - - ..

..

17 m m.o m za.• m m.

7 Fr Ra Ac - ,_ .......

..

..

..

c:::=:J Hydrogène c:::=:J M étaux vrais c:::=:J M étaux de tra n sition c:::=:J MMétall oldes " c:::=:J Non m étaux c:::::J Gaz ra res c:::::J Lanth anides c:::::J Tran surani ens l'Université de Saint-Petersbourg.

a l'idée de classer les éléments chimiques en fonction de leur masse puis en fonction de leurs propri étés.

Ainsi il mettra en évidence une périodicité des propriétés chimiques des éléments au fur et à mesure que leurs masses augmentent.

À l 'époque, pour respecter cette périodicité , Mtnd tltït v laisse des cases vides dans son tableau correspondant à des éléments qui devaient être, et seront effectivemen~ découverts ultérieurement.

Controversée , cette classification sera progressivement reconnue au fur et à mesure que les nouveaux éléments découverts y trouveront leur place.

LE TABLEAU DE MENDELEÏEV Le tableau de Mendeleïev , ou la classification périodique des éléments chimiques, est l a représentation usuelle des diver s éléments chimiques.

Le nombre de protons détermine le nom de l'élémen t chimique : pour dénommer un atome , quel qu'il soit, on lui donne le nom de l 'élément ayant le même nombre de protons .

Il est dit périodique car il correspond à un classement des é léments obéissant à des périodes : tous les éléments d 'une même colonne prés entent des propriétés chimiques trés proches, voire identiques.

Cette homogénéité au sein d'un même groupe d'éléments est une conséquence directe du nombre d'électrons qui composent les couches externes des atomes : ces électrons gouvernent fréquemment le comportement de l'élément.

Ceci s'explique par le fait que ces électrons sont les moins liés au noyau et donc les plus disponibles pour interagir avec des éléments extérieurs.

Dans le tableau périodique , les éléments sont classés suivant des lignes et des colonnes.

Le tableau possède sept lignes appelées périodes et dix-huit Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd ln Sn S b Te - - - ·- ........

-- - - .,_ - ....

..........

·- ..

..

..

..

..

..

..

" ..

..

..

" ..

,.

111,1111 110,1 114 111,1 tU tM.2 112110,2 ,,, ft2,2 '" 115,1 111117,0 2G2 zou 205 2114,4 201 207,2 20t 201 ,0 210 210,0 211210 ,0 ........

Hf Ta w Re Os Ir Pt Au ~ Tl Pb Bi Po At Rn - ·- - - - - - ..

- - - ~ n " ..

" " n " ..

..

" ..

..

colonnes appe lées groupes.

Suiva nt les excepté l'hydrog ène) et les alcaline- tableau périodique des éléments, lignes, les éléments sont classés par terreux (deuxième colonne) .

sont adjacents aux métalloïdes .

ordre croissant de masse atomique .

Les Leur couche électronique externe Propriétés : ils ont tendance à être colonnes, elles, réunissent les é léments comporte un ou deux électrons .

mous avec un point de fusion bas.

chimiques possédant le même nombre Propri étés gén é rales : ils sont de d'électrons sur la couche externe.

couleur argentée et présentent de Les métalloïd es faibles densités .

Ils réagissent aisément Ce sont des éléments dont les NOMENC LATU RE avec les halogènes et l'eau .

proprié tés sont intermédiaires entre Les éléments chimiques sont • Les alcalins : ce sont les éléments de les métaux et les non-métaux.

Ils sont généralement , et particulièrement dans la première colonne de gauche .

Ils sont général ement des semi-co nducteurs.

la classification de Mendeleïev , appelés ainsi en raison d'une forte Origine llement les métalloïdes symbolisés comme suit : !x réact ion en présence d'eau .

désignaient tout élément chimique non- où X est le nom de l'élémen~ A le Propriét és : ce sont des métaux mous et métallique.

nombre de masse (il correspond au légers, inexistants à l'état libre, nombre total de nucléons, soit la conducteurs, ayant un point de fusion Les non- métau x somme des protons et des neutrons) élevé, présentant une grande réactivité Les non-métaux ne constituent pas un et Z le nombre de charges ou numéro avec les non-métaux et l'eau.

groupe précis :ils s 'étalent sur plusieurs atomique (il correspond au nombre de • Les alcaline-terreux : ainsi nommés colonne s.

Ce sont le carbone , l'azote , protons).

Le nombre de charges Z parce qu'ils entrent dans la composition l'oxygène, le phosphore, le soufre et le correspond également au nombre de nombreuses roches et présentent en sélé nium.

Ce sont des éléments non d'électrons lorsque l'élément est sous solution des propriétés alcalines.

métalliques n'appartenant ni aux une forme électriquement neutre .

Propriétés : ce sont des solides gris halogèn e s ni aux gaz rares .

Prenons l'exemple des isotopes de métallique , conducteurs, plus durs que Propriét é s : ils conduisent mal l'hydrogène .

L'atome d'hydrogène les alcalins et avec un point de fusion l'électricité ainsi que la chaleur, ne comporte un seul proton et un électron .

plus élévé.

sont ni malléable s ni ductiles ; ils Ainsi , il se note : ;H .

forment des liaisons ioniques avec Le deutérium , isotope de l'hydrogène , Les lanthanid es les métaux .

comporte un proton et un neutron , Ils sont aussi appelés terres rares, ainsi qu'un électron .

bien qu'ils soient pour la plupart Les halogènes Il se note donc: :H .

relativement abondants.

Leur numéro Ils se trouvent sous forme de sel à Le tritium, un autre isotope de atomique est compris entre 57 et 70.

l'état naturel.

Ils possèdent sept l'hydrogène , comporte un proton et Propriétés : ils sont très difficiles à él ectrons sur leur couche externe et deux neutrons , ainsi qu'un électron .

séparer.

sont situés dans la colonne 17 du lise note : :H.

tableau : le fluor , le chlore, le brome, Pour les nouveaux éléments , artificiels, Les adin ides l' iode et l'astate .

On les trouve dans la plus lourds et généralement instables, Ils possèdent des caractéristiques nature sous forme de molécules l'Union Internat ionale de Chimie Pure proches de celles des lanthanides .

Les diatomiques.

Leur configuration la plus et Appliquée (UICPA ) se charge de les actinides avec un numéro atomique stable e st atteinte lorsqu'ils captent un nommer, en général à partir du nom de é levé n'existent pas à l'état naturel et électron : ils sont alors ionisés leur découvreur , éventuellement possèdent une durée de vie très courte .

négativement et forment ce que l'on suivant le nom du laboratoire .

Les Leur numéro atomique est compris appelle les ions halogénures .

noms d'éléments chimiques stables entre 89 et 102.

Propriét és : non-métalliques, très sont antérieurs à leur découverte et réactifs, ils forment des acides forts sont géné ralement puisés dans les Les métau x d e transition avec l'hydrogène .

diverses mythologies, la géog raphi e, Ces éléments tiennent leur nom de leur leur couleur ou les nom s de leur posit ion dans le tableau périodique : ils Les gaz rares découvreur ou d'un scientifique sont situés entre la colonne 2 (métaux) Ils sont aussi connus sous le nom de célèbre .

et la colonne 13 (non-métaux) .

gaz nob les ou inertes : hélium , néon, Propriétés : en géné ral une forte argon , krypton , xénon et radon .

Leur LES FAMILU S D'ÉiiM ENTS densité , ils forment des composés particularité est qu'ils sont stables et Les éléments chimiques sont colorés , possèdent de nombreux états très peu actifs du fait de leur couche traditionnellement groupés en d'oxydation, ce sont de bon catalyseurs, externe complète.

Cette couche saturée 9 familles principales.

et ils peuvent former des complexes .

en électrons et très stable n'offre quasiment pas de possibilités de liaison Les métaux vrais Les métaux pauvres entre atomes.

Les métaux vrais comprennent les Les métaux pauvres sont les éléments Propriét és : incolores , gazeux, absence alcalins (première colonne du tableau, chimiques métalliques qui, dans le ou presque de réactivité chimique.

i ~~ "!~ li! , ~~ !/" 1 i~ H • 'C .,. »