Table périodique des éléments
Publié le 17/09/2013
Extrait du document
La table de Mendeleïev
Le comportement chimique des atomes est, en effet, régi par la disposition de leurs électrons, et notamment par la «disponibilité« de ceux situés dans la couche externe, qui seuls s'impliquent dans les réactions et les liaisons. Lorsque l'on gra¬vit l'échelle des éléments, des plus légers — l'hy¬drogène — aux plus lourds comme l'uranium et les éléments trans uraniens, on observe que le nombre croissant d'électrons est logé en couches successives (une première couche périphérique proche du noyau comportant deux électrons, puis une seconde couche à huit électrons, une troisième à dix-huit électrons, et ainsi de suite). C'est précisément cette architecture en couches que Mendeleïev (1834-1907) découvrit, en notant la répartition cyclique des propriétés chimiques lors de son étude de la liste des corps purs.
Ainsi, la réactivité d'un atome est forte lorsque sa couche extérieure a peu d'électrons, que l'ato¬me est prêt à céder au cours de réactions pour découvrir sa couche inférieure, qui est stable pour sa part. Elle contient, en effet, le nombre propice
d'électrons. Peu réactifs sont au contraire les atomes dont la couche extérieure est déjà «saturée«: c'est le cas du groupe des gaz nobles, totalement inertes. La synthèse que présente la table de Mendeleïev montre que plus le nombre d'électrons grandit (le long d'une ligne de la table), plus les propriétés chimiques des élé-ments concernés progressent d'un caractère très réactif, à gauche de la table, à un comportement moins réactif, voire neutre à l'extrême droite, lorsque la couche électronique externe est satu-rée. L'atome suivant sur la liste ouvre alors une nouvelle ligne du tableau (début d'une nouvelle couche d'électrons), le premier électron périphé¬rique donnant à nouveau des caractéristiques chimiques très réactives au corps et ainsi de suite.
Les groupes de métaux
Si on lit la table de Mendeleïev verticalement, chaque colonne qui regroupe les éléments ayant le même nombre d'électrons dans leur couche extérieure (et donc des comportements chi-miques similaires) est appelé un groupe.
Le groupe 1 de la table — classé dans la colon¬ne la plus à gauche — regroupe les éléments dont la couche périphérique ne contient qu'un seul électron, et qui sont, de ce fait, très réactifs, cher¬chant à céder cet électron au cours de liaisons avec d'autres atomes. On les appelle les métaux alcalins. Outre leur grande réactivité chimique (le césium explose au contact de l'eau), ils sont
relativement mous, à l'exemple du lithium, du sodium et du potassium: on peut aisément tran-cher leur structure métallique avec un couteau.
Dans le groupe 2 (à deux électrons externes) figurent les métaux alcalino-terreux, comme le beryllium et le magnésium. Le beryllium est un métal léger, dur et de couleur gris blanc utilisé dans les alliages; le magnésium est presque aussi léger, plus mou (il est très prisé dans l'industrie), et d'un blanc argenté. Bien que stables à l'air libre, ces corps sont réactifs et s'enflamment aisément.
Avec trois électrons sur leur couche externe, les atomes du groupe 3 sont moins réactifs que les précédents: le bore se présente sous la forme de cristaux jaunes et ne se prête qu'à des réac¬tions de type covalent (mise en commun d'élec¬trons entre atomes rapprochés), liaisons deman¬dant beaucoup plus d'énergie à mettre en oeuvre que les cessions d'électrons de type ionique. Dans ce groupe, qui compte aussi le silicium, l'indium, etc., l'aluminium est le plus réactif et se prête tant à des cessions d'électrons de type ionique qu'à des partages d'électrons de type covalent.
«
A LIAISON IONIQUE
Atome
de
chlore
0-0
,
0—o
o
,o ,- a
I
o4
(t;
Atome de
sodium
Transfert
d'un
électron
0*—o
1 électron dans
la
couche externe
Couche sous-jacente stable
révélée
'
.0—o
l"
o
Attraction
électrostatique
de la liaison ionique
'o
Na'
`
1
7
électrons dans
la couche externe
Couche externe complétée et stable
LE RESEAU CRISTALLIN
DU CHLORURE DE SODIUM
Ion de
sodium
Ion de
chlore
Table périodique des éléments 2
six électrons périphériques, nécessite ce double
investissement.
Dans une liaison covalente triple,
trois électrons sont partagés par les deux atomes
(c'est le cas de l'azote N
2
)
pour faire passer leur
nombre d'électrons périphériques de 5 à 8.
Enfin les atomes qui n'ont que quatre élec-
trons périphériques doivent assurer jusqu'à quatre
liaisons de covalence pour atteindre la saturation
orbitale.
Ils parviennent par des enchaînements
de liaisons qui font toute la complexité du monde
qui nous entoure.
Ainsi en est-il du carbone qui
utilise ses quatre liaisons covalentes pour bâtir
des molécules en chaînes, anneaux et autres
figures à deux et trois dimensions.
Les liaisons du
carbone occupent à elles seules toute une
branche de la science, que l'on appelle la chimie
organique: à part les benzènes, propanes et
autres hydrocarbures, la chaîne du carbone
donne en effet des molécules plus complexes
encore que sont les aminoacides, protéines et
autres structures de base du monde vivant.
La liaison ionique
Avec trois électrons ou moins sur leur couche
périphérique, les atomes ne se tournent plus vers
les liaisons de covalence pour tendre vers une
stabilité maximale, désormais trop éloignée, de
huit électrons.
Il leur est plus simple et plus ren-
table, d'un point de vue énergétique, de tenter de
se débarrasser du peu d'électrons sur la dernière
couche pour exposer la couche électronique
inférieure, qui est saturée et stable.
Cette expul-
sion d'électrons va vers un atome preneur, qui a
besoin de ces électrons, et la paire sera ainsi unie
par une liaison dite « ionique».
Tel est le cas du chlorure de sodium: ce
composé est obtenu lorsqu'un atome de sodium
expulse vers un atome de chlore l'unique élec-
tron de sa deuxième couche afin de découvrir sa
première couche électronique, complète et
stable.
Lélectron expulsé est pris par un atome de
chlore qui l'ajoute à ses sept électrons périphé-
riques pour atteindre le chiffre stable de huit.
Le
transfert d'un électron, et donc d'une charge élec-
trique, du sodium vers le chlore fait que les deux
atomes sont devenus électriquement chargés, l'un
positivement et l'autre négativement: c'est cette
attirance électrostatique qui les maintient combi-
nés et fait la force de la liaison ionique.
Plus forte que la liaison covalente, la liaison
ionique aboutit à des composés résistants, qui
ont besoin d'être exposés à des températures éle-
vées avant de se dissocier.
Ils ont souvent une
architecture cristalline, les atomes étant tenus à
distance les uns des autres selon des figures géo-
métriques précises, dictées par leurs champs
électriques en trois dimensions: l'arrangement
est cubique dans le cas du chlorure de sodium,
atomes de chlore et de sodium alternant aux
sommets de cubes qui se répètent à l'infini.
Une gamme de liaisons ioniques a lieu avec
l'oxygène, lorsque celui-ci rencontre des métaux
capables de lui céder un ou deux électrons pour
compléter sa couche externe de six à huit élec-
trons.
Ces réactions d'oxydo-
réduction sont répan-
dues dans la nature.
C'est le cas de la liaison de
l'oxygène avec le magnésium: leur combinaison,
où l'oxygène arrache deux électrons du métal et
lui reste lié, est l'oxyde de magnésium MgO.
La liaison métallique
Un troisième type de liaison agit dans les métaux:
la libre circulation des électrons entre les noyaux
de ces atomes.
Lorsque les électrons quittent la
couche périphérique (selon les atomes, de la 4e
la
7e),
ils maintiennent en se déplaçant une stabi-
lité électronique dans toute la structure.
Cette
liberté de mouvement des électrons rend les
métaux conducteurs.
La différence entre les
charges provoque le déplacement des électrons
«voyageurs» dans la direction du potentiel, y ins-
tituant un courant électrique.
A
Dans une liaison ionique, un ou plusieurs
électrons sont transférés d'un atome
vers un autre: au lieu de partage, il y a
rapt.
Chaque atome se retrouve alors
chargé électriquement, puisqu'il a acquis ou
perdu une ou plusieurs charges électriques:
cette attraction électrostatique constitue la
liaison chimique.
Dans l'exemple ci-dessous,
un atome de sodium libère un électron qui
est transféré à la couche électronique externe
d'un atome de chlore.
Les deux atomes se
retrouvent alors tous deux avec une couche
externe à huit électrons.
Les cristaux se forment soit par liaison
covalente (c'est le cas du diamant),
soit par liaison ionique comme c'est le cas
du chlorure de sodium représenté ci-contre.
La plupart des liaisons ioniques sont fortes
et leurs composés ne peuvent se dissocier
qu'à des températures élevées.
A
Dans un métal les électrons périphériques
isolés quittent leurs atomes pour se
déplacer librement entre eux, les laissant
à découvert avec des couches électroniques
'
sous-jacentes plus stables.
Cette mobilité fait
des métaux de bons conducteurs électriques.
4-
"1.
»
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