Fiche 3 - FS - Tableau périodique des éléments PDF

De l’atome aux molécules 3 CLASSIFICATION PéRIODIQUE DES...

De l’atome aux molécules 3 CLASSIFICATION PéRIODIQUE DES FS éLéMENTS Semaine et jour : S1 le 12/09/2023 RB : Belinda KUYUMCU Professeur : Mme GAZEAU CM : Maelis Coutant et Sayahi Selvaratnam Plan du cours I. INTRODUCTION................................................................................................................... 2 II. CLASSIFICATION PÉRIODIQUE MODERNE...................................................................... 2 A. Relation avec la configuration électronique............................................................................... 3 1. Période = ligne..................................................................................................................... 3 2. Familles = colonnes............................................................................................................. 3 B. Présentation du tableau............................................................................................................... 4 1. Bloc s................................................................................................................................... 4 2. Bloc p.................................................................................................................................. 4 3. Bloc d.................................................................................................................................. 5 4. Bloc f................................................................................................................................... 5 III. MÉTAUX ET NON-MÉTAUX................................................................................................. 6 1. Métaux................................................................................................................................. 6 2. Non-métaux......................................................................................................................... 6 3. Métalloïdes.......................................................................................................................... 6 4. Règle de Sanderson............................................................................................................ 7 5. A retenir............................................................................................................................... 7 IV. PÉRIODICITÉ DES PROPRIÉTÉS DES ATOMES............................................................... 7 A. Eléctronégativité.......................................................................................................................... 7 B. Ionisation probables.................................................................................................................... 8 1. Éléments du bloc s.............................................................................................................. 8 2. Éléments du bloc p.............................................................................................................. 9 3. Éléments du bloc d.............................................................................................................. 9 4. Conclusion........................................................................................................................... 9 ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 1 sur 9  I. INTRODUCTION Cette classification périodique des éléments représente tous les éléments chimiques ordonnés par numéro atomique (Z) croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique  leurs propriétés chimiques. Au XIXe siècle, les chimistes essayèrent de trouver grâce à des observations expérimentales des analogies entre les espèces chimiques découvertes à l’époque afin de les classer, de les grouper par famille en fonction de leurs propriétés chimiques. Plusieurs tentatives infructueuses ont été effectuées jusqu’à la classification périodique proposée par Mendeleïev en 1869 qui fut celle qui s’imposa dans le temps. Il construisit une table différente de celle qu’on utilise aujourd’hui ,mais semblable dans son principe. Il ordonne les éléments chimiques par masse atomique croissante (les lois régissant la distribution des électrons autour du noyau, soit la structure électronique des atomes, n’était pas connues). Mendeleïev montre alors qu’il est possible de prédire certaines propriétés des éléments et d’identifier les éléments qu’il reste à découvrir. II. CLASSIFICATION PÉRIODIQUE MODERNE Éléments organisés par ordre croissant de numéro atomique Z. 118 éléments : o 83 primordiaux (plus anciens que la Terre). o 24 synthétiques  artificiels (n’existent pas au naturel, créés par l’Homme). En haut à gauche, élément le plus simple : Hydrogène (Z=1), suivi de l’Hélium (Z=2), puis changement de ligne par le Lithium (Z=3) et successivement on retrouve les autres éléments avec par moment des changements de lignes. ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 2 sur 9  A. RELATION AVEC LA CONFIGURATION ELECTRONIQUE 1. Période = ligne Correspondance directe et systématique entre la disposition du tableau périodique et l’ordre de remplissage des niveaux électroniques. Règle de base : Retour à la première colonne à chaque fois que débute une nouvelle couche électronique Éléments d’une même ligne = PERIODE  Disposés de gauche à droite selon l’ordre croissant de leur numéro atomique Z  Électrons périphériques sur une même couche n. Chaque ligne correspond à une nouvelle couche électronique. o 1e ligne correspond à la couche K n=1 o 2e ligne à la couche L n=2 o 3e ligne à la couche M n=3 2. Familles = colonnes Éléments d’une même colonne = FAMILLE  Configuration électronique identique de leur couche externe (couche de valence) Exemple : Tous les éléments de la colonne 2 ont leur configuration électronique qui se finit en ns2, la colonne 13 : ns2 np1  Propriétés chimiques proches Familles à connaître : Colonne 1 (sauf H) : Alcalins Colonne 2 : Alcalino-terreux Avant-dernière colonne : Halogènes Dernière colonne : Gaz rares/nobles NB 1 : je vous conseille d’apprendre par cœur les numéros atomiques des éléments de la famille des gaz nobles (soit la dernière colonne) car c’est utile pour construire le tableau, s’y retrouver dans les familles, périodes etc. lors de certains QCMs. ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 3 sur 9 NB 2 : le tableau n’est pas à apprendre tel quel, vous verrez dans la suite les éléments qu’il faudra savoir maitriser. B. PRESENTATION DU TABLEAU 4 blocs d’éléments délimités en fonction de la nature s,p,d ou f du niveau de couche/sous-couche en cours de remplissage : s,p,d,f Nombre de colonnes dans un bloc = nombre maximal d’électrons dans la sous-couche donnée o Bloc s : 2 colonnes (car 2 électrons max dans la sous-couche de type s) o Bloc p : 6 colonnes (car 6 électrons max dans la sous-couche de type p) o Bloc d : 10 colonnes (car 10 électrons max dans la sous-couche de type d) o Bloc f : 14 colonnes (car 14 électrons max dans la sous-couche de type f) 1. Bloc s Dans leur état fondamental, les éléments du bloc s ont tous comme dernière sous-couche occupée une sous-couche de type s Structure électronique de type nsx avec n (numéro de la ligne) = 1 à 7 et x (nombre d’électron de valence) = 1 ou 2. Exemples : o Hydrogène : 1s1 → 1 proton donc 1 électron → 1ère ligne n = 1 et 1ère colonne x = 1 du bloc s Souvent lié à un autre H afin de devenir stable  H2 (dihydrogène) gaz à température ambiante o Hélium : 1s2 → 2 protons donc 2 électrons → bloc s. Il est placé dans la première ligne car n = 1 mais dans la dernière colonne car il a sa couche électronique externe saturée comme les autres éléments de sa colonne : les gaz rares. Métaux alcalins : 1ère colonne sauf H, de type ns1 o Exemple du Sodium Na : Z = 11 → 1s2 2s² 2p6 3s1. On s’intéresse à la couche externe (dernière sous-couche) : 3s1 → 3ème période (ligne) car n = 3 et 1ère colonne car x = 1 (1 électron). Alcalino-terreux : 2ème colonne, de type ns² o Exemple du Calcium Ca : Z = 20 → 1s2 2s² 2p6 3s2 3p6 4s2 → On s’intéresse à la couche externe (dernière sous-couche) : 4s2 → 4ème période (ligne) car n = 4 et 2ème colonne car x = 2 (2 électrons) 2. Bloc p Dans leur état fondamental, les éléments du bloc p ont tous comme dernière sous-couche occupée une sous-couche de type p Structure électronique de type ns2 npx avec n = 1 à 6 et x = 1 à 6. ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 4 sur 9  Halogènes : 5e colonne du bloc p (avant dernière colonne), de type ns2 np5. o Tous les halogènes possèdent 5 électrons sur leur dernière sous-couche p. o Exemple du Chlore Cl : Z = 17 → 1s2 2s² 2p6 3s2 3p5 → La dernière couche se caractérise par n = 3 donc Cl dans la 3e période et 5e colonne du bloc p car 5 électrons sur la sous-couche p. ATTENTION ! Nombre d’électrons sur cette couche = 7 (2 sous-couche s +5 sous-couche p). Gaz nobles (ou rares) : 6e colonne du bloc p (dernière colonne) → Néon, Argon, Krypton, Xénon, Radon et Oganesson sont de type ns2 np6 → ATTENTION ! Hélium est un gaz noble mais fait partie du bloc s car sa configuration est 1s² o Possèdent tous une couche externe saturée, elle contient le max d’électrons possible o Forte inertie chimique = ne participent pas spontanément aux réactions chimiques, ne forment spontanément aucuns ions, ni molécules o N’existent que sous forme de gaz monoatomique 3. Bloc d Éléments de transition ou métaux de transition Structure électronique de type ns2 (n-1)dx avec x = 1 à 10 Bloc d correspond à la valeur l = 2 et intervient à partir de n = 3 Sous-couche (n-1)d est en cours de remplissage Bloc d : 10 colonnes entre le bloc s et p o Exemple du Fer : Z = 26 → 1s2 2s² 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 → Couche de valence : 4s2 3d6 donc Fer dans la 4e période car n = 4 et 6e colonne du bloc d car x = 6. On peut également écrire ces configurations : Ar 4s2 3d6 ou Ar 3d6 4s2 4. Bloc f Représenté sous la partie du tableau périodique formant 18 colonnes Bloc f correspond à la valeur l = 3 et intervient à partir de n = 4 Structure électronique de type ns2 (n-2) fx avec x = 1 à 14 Lanthanides : 6e période o 14 éléments o Propriétés chimiques semblables o Remplissage de la sous-couche électronique 4f o Chef de file : Lantane (Z = 57) et sa configuration électronique se termine par 4f0 5d1 6s2, la couche externe est bien caractérisée par n = 6 Actinides : 7e période o 14 éléments o Métaux lourds o Chef de file : Actinium (Z = 89) o Toujours tous radioactifs NB : En plaçant dans le tableau les éléments par leur numéro atomique, selon le bloc et la position dans ce bloc, on pourra déterminer la configuration électronique de la couche de valence de l’élément. Je vous invite à aller voir des QCMs et des ED pour maîtriser les propriétés tableau, et savoir ce qu’on peut vous demander et les techniques pour y répondre. ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 5 sur 9  III. MÉTAUX ET NON-MÉTAUX Le tableau périodique se structure en 3 régions : Métaux : alcalins, alcalino-terreux, éléments de transition (bloc d) Non-métaux La limite conventionnelle entre métaux et non-métaux ne correspond pas à une rupture brutale des propriétés. Métalloïdes : éléments à la limite des métaux et non-métaux. Ils possèdent des propriétés issues des métaux et des non-métaux. 1. Métaux Éléments majoritaires Tous les métaux sont solides à température ambiante sauf le Mercure Hg qui est liquide à température ambiante Malléables et luisants Bons conducteurs d’électricité 2. Non-métaux Propriétés variables et différentes des métaux Gazeux ou solide à température ambiante sauf le Brome Br qui est liquide Ternes, mats et ne réfléchissent pas la lumière Mauvais conducteurs d’électricité 3. Métalloïdes Se rapprochent des métaux (métalloïdes signifie « semblable aux métaux ») A la frontière séparant métaux et non-métaux, en escalier Conduisent l’électricité ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 6 sur 9 D’une référence à une autre, il est possible d’y avoir une légère différence dans le classement des éléments métalliques ou non métalliques. En effet, le classement de certains éléments varie car ces éléments existent sous plusieurs formes cristallines possédant chacune des propriétés différentes. Par exemple, le carbone existe forme de diamant qui est non métallique et sous forme de graffite qui est un métalloïde. 4. Règle de Sanderson Permet de définir si un élément est un métal ou non Un élément est un non-métal si le nombre d’électrons sur sa couche externe est supérieur au numéro de la période à laquelle il appartient. Dans le cas contraire, c’est un métal. o Exemple de l’Aluminium : 3s2 3p1 → 3 électrons sur sa couche de valence (externe) n = 3. Le nombre d’électrons sur sa couche de valence n’est pas supérieur au numéro de la période à laquelle il appartient, c’est donc un métal. o Exemple du Phosphore : : 3s2 3p3 → 5 électrons sur sa couche de valence (externe) n = 3. Le nombre d’électrons sur sa couche de valence est supérieur au numéro de la période (5 > 3) à laquelle il appartient, c’est donc un non-métal. 5. A retenir Caractéristique des 4 éléments les plus importants pour la suite : H, C, N, O Moyens mnémotechniques pour retrouver les éléments de la 2ème période et 3ème période : o 2ème période : Lili Bégaie Beaucoup Comme Notre Oncle Français Nestor Lithium ; Béryllium ; Bore ; Carbone ; Nitrogène (Azote) ; Oxygène ; Fluor ; Néon o 3ème période : Napoléon Mangea Allègrement Six Poulets Sans Claquer d’Argent (Attention ! En dernier, on parle de l’élément Argon (Ar) et non Argent) : Sodium (Na) ; Magnésium ; Aluminium ; Silicium ; Phosphore ; Soufre, Chlore ; Argan NB : Dans les TD et examens le numéro atomique de l’élément considéré vous sera toujours donné. Le remplissage du tableau périodique est basé sur le remplissage progressif des couches et sous- couches électroniques. Le numéro de ligne = période = nombre de couches électroniques autour du noyau de l’élément correspondant. Les éléments d’une même colonne = famille chimique. Ils ont la même configuration c’est-à-dire le même nombre d’électrons sur leur couche de valence (= externe/périphérique), celle de nombre quantique n le plus grand. Garder en tête les éléments tels qu’ils apparaissent et où ils apparaissent dans la classification périodique. On verra dans le grand III que la périodicité des éléments dans le tableau correspond à la répétition ordonnée de certaines propriétés chimiques des éléments d’une période à une autre. IV. PÉRIODICITÉ DES PROPRIÉTÉS DES ATOMES A. ELECTRONEGATIVITE L’électronégativité est une notion utile en chimie car elle permet de prévoir la réactivité des composés chimiques. Électronégativité E - = tendance d’un élément à attirer un électron quand il se trouve associé à d’autres éléments Électropositivité E + = tendance d’un élément à perdre un électron ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 7 sur 9 Il existe 2 définitions de l’électronégativité : Définition de Mulliken : Basée sur deux notions (non abordées dans ce cours) : l’énergie d’ionisation Ei et l’affinité électronique Ae. Définition de Pauling : Détermine la valeur d’électronégativité des éléments en affectant la valeur E- = 4 pour le Fluor (l’élément le + électronégatif, situé en haut à droite de la classification) et en déduisant les autres valeurs de proche en proche dans une échelle relative jusqu’à l’élément Césium (le moins électronégatif, situé en bas à gauche de la classification). ➔ Ainsi l’électronégativité augmente dans une même période de gauche à droite et diminue dans une même famille du haut vers le bas B. IONISATION PROBABLES Nous allons étudier la formation des ions les plus probables c’est-à-dire la capacité d’un élément à devenir un ion positif ou négatif. Globalement un atome va vouloir avoir la configuration électronique du gaz noble le plus proche. La position de l’élément dans le tableau périodique renseigne sur la manière dont l’élément va pouvoir s’ioniser, c’est-à-dire à gagner ou perdre des électrons. Un ion possède un nombre d’électrons différent de son nombre de protons. 2 catégories d’ions : Cations chargés positivement → perd un ou des électrons Anions chargés négativement → gagne un ou des électrons 1. Éléments du bloc s Tendance à perdre leur(s) électron(s) s sur la couche de n le plus élevé (couche de valence) Exemples : o Lithium : possède 3 électrons donc a pour configuration électronique : 1s2 2s1. Il va avoir tendance à perdre l’unique électron de la couche n = 2 et deviendra le cation Li+. Il ne possède plus que 2 électrons de la sous-couche 1s (couche n = 1) et sa configuration électronique 1s² est identique à celle du gaz noble le plus proche de lui : l’Hélium. o Magnésium : possède 12 électrons et comme couche de valence : 3s2 (n = 3). Il va avoir tendance à perdre 1 ou 2 électrons sur sa sous-couche 3s. S’il perd 1 électron, il deviendra le cation Mg+ et s’il perd 2 électrons, Mg2+. Alors la configuration de Mg2+ est celle du gaz rare qui précède le Mg (le plus proche) dans le tableau périodique : Néon ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 8 sur 9  2. Éléments du bloc p Colonne 13 du bloc p de type ns2 np1. Ils ont tendance à perdre leurs électrons s et p de leur couche de valence. o Exemple de l’Aluminium : Z = 13 → configuration 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Après ionization et perte des 3 électrons de la couche n = 3, il donne le cation Al3+ avec la configuration 1s2 2s2 2p6 identique à celle du gaz rare qui le précède : Néon Colonnes 15, 16 et 17 du bloc p de type ns2 npx avec x = 3,4 ou 5. Les colonnes 16 et 17 de type ns2 np4 et ns2 np5, ont tendance à gagner des électrons pour saturer leur sous-couche p et avoir une couche de valence complète avec 8 électrons (couche de valence saturée). o Exemple du Fluor : 1s2 2s2 2p5 → Tendance à gagner 1 électron pour devenir l’anion F- dont la configuration électronique sera celle du gaz rare qui le suit : Néon. o Exemple du Souffre : 1s22s22p6 3s² 3p4 → Tendance à gagner 2 électrons pour saturer sa sous- couche 3p et avoir 8 électrons sur sa couche n = 3. Il devient l’anion S2- de configuration électronique identique à celle du gaz noble qui le suit : Argon. 3. Éléments du bloc d Commencent à perdre leurs électrons s sur la couche n le plus élevé avant éventuellement ceux de la sous couche (n-1)d. o Exemple du Titane : Z = 22 électrons. En suivant la règle de Klechwoski, on remplit la sous couche 4s avant la sous couche 3d. Mais on peut réécrire la configuration électronique dans l’ordre croissant des nombres quantiques n. Ainsi, la couche de valence est n = 4 (couche avec n le plus grand), c’est de cette dernière couche que sont arrachés successivement 1 puis 2 électrons avant que soit arraché 1 électron de la sous-couche 3d. Ainsi, si on assiste à la perte de 1, 2 ou 3 électrons du Titane, on aura les cations Ti+, Ti2+ ou Ti3+ respectivement. 4. Conclusion Bloc s et p : Le cation ou l’anion formé adopte la configuration électronique du gaz rare le plus proche. Bloc d : Les cations formés sont de charge variable. Pour toute erreur retrouvée dans la fiche, merci d’envoyer un mail à l’adresse suivante : [email protected] ©Tutorat Paris XII 2023/2024– De l’atome aux molécules : N°3 – Ce document n’est pas le support officiel Page 9 sur 9