Cours 1 Classif périodique Dr HE - PDF

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Université Félix Houphouët-Boigny d’Abidjan UFR Sciences Pharmaceutiques et Biologiques 2023-2024 LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS Chimie minérale Licence 1 Dr HÉ Linda épouse KOUAMÉ 1  OBJECTIFS DU COURS Déterminer la configuration électronique d’un élément Expliquer l’évolution des propriétés physiques et chimiques des éléments Citer au moins une application de l’utilisation des éléments dans le domaine chimique et de la santé 2 PLAN DU COURS(1/4) INTRODUCTION I-RAPPELS DE BASE I-1.Elément I-2.Nombre atomique-Nombre de masse II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS II-1.Orbitale atomique (OA) II-1-1.Définition II-1-2.Géométrie des orbitales atomiques 3 PLAN DU COURS(2/4) II-1-3.Interprétation des nombres quantiques II-1-3-1.Orbitale s II-1-3-2.Orbitale p II-1-3-3.Orbitale d II-1-3-4.Orbitale f II-1-4.Applications II-2.Définition de la configuration électronique II-3.Règles de remplissage des couches et des sous-couches d’ un atome polyélectronique II-3-1.Règle de KLECHKOWSKI 4 PLAN DU COURS(3/4) II-3-2.Règle de HUND pour l’état fondamental II-3-3.Principe d’exclusion de PAULI III-TABLEAU PÉRIODIQUE III-1.Historique III-2.Colonne III-3.Ligne III-4.Tableau périodique 5 PLAN DU COURS(4/4) IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS IV-1.Masse atomique IV-2.Rayon atomique IV-3. Électronégativité IV-4.Énergie d’ionisation V-APPLICATIONS CONCLUSION 6  INTRODUCTION Élément: entité chimique fondamentale commune aux diverses variétés d’un corps simple Différenciation *élément: O oxygène ,P phosphore, S soufre * corps purs simples moléculaires: O2 dioxygène, O3 trioxygène. 7 I-RAPPELS DE BASE (1/3) I-1.Élément Jusqu’en 1940: connaissance de 92 éléments Obtention d’autres éléments par synthèse nucléaire Existence d’un symbole officiel pour 109 éléments et adoption d’une nomenclature spéciale recommandée par l’Union Internationale de chimie pure et appliquée (UICPA )pour tout élément ayant un Z ≥ 110 8 I-RAPPELS DE BASE (2/3) Obtention du nom de l’élément par association directe des syllabes du tableau de correspondance Chiffre-Syllabe suivie de la terminaison « ium » Symbole de l’élément constitué des premières lettres de chaque syllabe (la première en majuscule) Chiffre 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Syllabe nil un bi tri quad pent hex sept oct enn Exemples : *Elément Z = 104 Unnilquadium Unq *Elément Z = 328 Tribioctium Tbo 9 I-RAPPELS DE BASE(3/3) I-2.Numéro atomique et nombre de masse Figure 1:Répresentation symbolique de l’atome 10 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (1/19) II-1.Orbitale atomique (OA) II-1-1.Définition C’est une fonction mathématique qui décrit le comportement ondulatoire d'un électron ou d'une paire d'électrons dans un atome. Probabilité de présence d'un électron d'un atome dans une région donnée de cet atome. Représentation à l’aide d’ isosurfaces. OA est définie par un triplet ( n, l, ml) unique de nombres quantiques. 11 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (2/19) II-1-2.Géométrie des orbitales atomiques II-1-2-1.Interpétatation des nombres quantiques le nombre quantique principal n détermine la taille et l'énergie de l'orbitale pour un noyau atomique donné ; le nombre quantique azimutal ℓ détermine la forme de l'orbitale; 12 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (3/19) le nombre quantique magnétique mℓ détermine son orientation dans l'espace mais également la forme de certaines orbitales complexes. L'ensemble des orbitales correspondant à un couple (n, ℓ) donné remplit l'espace de manière aussi symétrique que possible avec un nombre croissant de lobes et de nœuds. 13 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (4/19) II-1-2-2.Orbitale s Les orbitales s, identifiées par ℓ = 0, sont représentées par des sphères. Seules à présenter un anti-nœud, c'est-à-dire une région où la fonction d'onde a un module élevé, au centre du noyau. II-1-2-3.Orbitale p Les trois orbitales p pour n = 2 ont la forme de deux ellipsoïdes partageant un point de tangence au niveau du noyau atomique. Cette forme est parfois dite en haltères. 14 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (5/19) Figure 2:Géométrie des orbitales 1s,2s et 2p 15 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (6/19) II-1-2-4.Orbitale d Quatre des cinq orbitales d pour n = 3 ont des formes semblables, chacune avec quatre lobes en forme de poire. Trois de ces orbitales, nommées dxy, dyz et dxz, sont alignées sur les plans xy, yz et xz la quatrième, nommée dx2 – y2, est alignée sur les axes x et y eux- mêmes. La cinquième orbitale d, nommée dz2 et correspondant à mℓ = 0. 16 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (7/19) Figure 3:Géométrie d’une orbitale dxy 17 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (8/19) Figure 4:Géométrie d’une orbitale dyz 18 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (9/19) Figure 5:Géométrie d’une orbitale dxz 19 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (10/19) Figure 6:Géométrie d’une orbitale dx2 – y2 20 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (11/19) Figure 7:Géométrie d’une orbitale dz2 21 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (12/19) II-1-2-5.Orbitale f Au nombre de sept avec des formes plus complexes que celles des orbitales d. Figure 8:Géométrie des orbitales f 22 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (13/19) II-1-3.Applications En physique atomique, les raies spectrales correspondent aux transitions électroniques résultant de passage d'un état quantique de l’atome à un autre. Ces états sont définis par un ensemble de nombres quantiques généralement associés à une configuration électronique Les orbitales atomiques sont un concept clé permettant de visualiser les processus d’ excitation à l'origine des transitions électroniques. 23 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (14/19) II-2.Définition de la configuration électronique La configuration électronique des atomes est notée en listant les sous- couches électroniques avec, en exposant, le nombre d'électrons sur cette sous-couche. Par construction: -le nombre de sous-couches par couche électronique est égal à n -le nombre d'orbitales par sous-couche électronique s, p, d, f vaut 1, 3, 5, 7, etc. Chacune de ces orbitales pouvant contenir au plus deux électrons -le nombre maximum d'électrons par type de sous-couches s, p, d, f vaut 2, 6, 10, 14. 24 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (15/19) II-3.Règles de remplissage des couches et des sous-couches d’ un atome polyélectronique II-3-1.Règle de KLECHKOWSKI Les niveaux d’énergie électroniques d’ un système atomique sont peuplés par les électrons, par ordre d’énergie croissante Les électrons occupant d’abord les niveaux de plus faible énergie. 25 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (16/19) La règle de Klechkowski implique donc que les électrons occupent successivement les sous-couches d'un atome dans l'ordre suivant : 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p. Figure 9:Ordre de remplissage des sous-couches électroniques 26 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (17/19) II-3-2.Principe d’exclusion de PAULI *Dans un atome, deux électrons ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques identiques. *Dans une OA donnée le triplet (n, ℓ, mℓ ) il ne peut y avoir au maximum que deux électrons de spin opposé(+1/2 et -1/2) *Trois cas possibles: -une OA vide - un seul électron occupe une orbitale atomique: électron célibataire. -deux électrons occupent une orbitale atomique: électrons appariés. 27 II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS (18/19) II-3-3. Règle de HUND pour l’état fondamental *Pour les sous-couches comportant plusieurs OA de même énergie, les électrons se répartissent sur le maximum d’OA avant de s’apparier dans une OA. 28  II-CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS(19/19) Structure ou configuration électronique d’un élément à l’état fondamental, écrire dans l’ordre de n croissant, et pour même n, apparition des sous couches s, p, d et f précédées du n correspondant avec en exposant le nombre d’électrons qui s’y trouve. Exemple : titane (Ti) Z = 22 -Ordre de remplissage : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2 -Configuration électronique : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 29 III-TABLEAU PÉRIODIQUE (1/11) III-1.Historique Œuvre de nombreux chimistes: De Chancourtois (1862), Lothar Meyer (1864), Newlands (1865) : périodicité des propriétés physiques et chimiques des éléments en rapport avec leur masse atomique Etape décisive avec Mendeleïev (1869): les propriétés des éléments dépendent de manière périodique de leurs masses atomiques. Tableau à 16 colonnes de 66 éléments connus par PM croissant avec des cases vides et en inversant certains éléments (Ar et K, Co et Ni, Te et I). 30 III-TABLEAU PÉRIODIQUE (2/11) III-2.Colonne Groupe = colonne du tableau périodique. Ensemble d'éléments aux propriétés distinctes des groupes voisins. 18 groupes. 31 III-TABLEAU PÉRIODIQUE (3/11) III-3.Ligne Période = ligne du tableau périodique Remplissage progressif des sous-couches électroniques jusqu'à atteindre la sous-couche s de la couche électronique suivante. Variation des propriétés des éléments avec des similitudes le long d'une période: famille d’éléments 32 III-TABLEAU PÉRIODIQUE (4/11) III-4.Tableau périodique Périodicité des propriétés chimiques est due aux électrons de valence, les éléments classés dans une même colonne ont en effet la même configuration électronique externe. Disposition habituelle  Sept lignes horizontales ou périodes correspondant chacune au remplissage complet ou non d’une couche électronique  Première période : Remplissage de la couche K (n = 1) avec hydrogène (H) : 1s1 et hélium (He) : 1s2 33  III-TABLEAU PÉRIODIQUE (5/11)  Deuxième période : Remplissage de la couche L (n = 2) avec huit électrons allant du lithium (Li) : [He] 2s1 au néon (Ne) : [He]2s2 2p6  Troisième période : Remplissage partiel de la 3ème couche allant du sodium (Na) :[Ne] 3s1 à l’argon (Ar) : [Ne] 3s2 3p6 34  III-TABLEAU PÉRIODIQUE (6/11)  Quatrième période : Pour les raisons de stabilité, début du remplissage de la 4ème couche avec le potassium (K) : [Ar] 4s1 et calcium (Ca) : [Ar] 4s2 ; puis fin du remplissage de la 3ème couche (ensemble des éléments de la 1ère série de transition et de post-transition) du scandium (Sc) : [Ar] 3d1 4s2 au zinc (Zn) inclus [Ar] 3d10 4s2 et enfin remplissage partiel à nouveau de la 4ème couche allant gallium (Ga) : [Ar] 3d10 4s2 4p1 au krypton (Kr) : [Ar] 3d10 4s2 4p6 35  III-TABLEAU PÉRIODIQUE (7/11)  Pour les 6ème et 7ème couches : Intervention du remplissage des sous couches f ; A l’exception du 1er terme dans chaque cas, lanthane et actinium, les autres éléments de transition profonde (lanthanides et actinides) sont rejetés en marge de façon à éviter au tableau une extension gênante. 36  III-TABLEAU PÉRIODIQUE (8/11) Disposition adoptée  Apparition des différents blocs Au centre, bloc d et respectivement à gauche et à droite de ce bloc, le bloc s et le bloc p  Mise en évidence des groupes d’éléments situés dans une même colonne verticale Compte tenu des éléments de transition (bloc d) et de la position marginale des éléments de transition profonde (bloc f), existence de 18 colonnes par notation directe 37  III-TABLEAU PÉRIODIQUE (9/11) Division du tableau périodique en blocs  bloc s : Métaux (Alcalins et Alcalino-terreux)  Groupes 1 et 2 Remarque: l’hydrogène constitue à lui tout seul sa famille. l’hélium est un gaz rare  bloc d : Métaux de transition et Métaux de post-transition  Groupes 3 à 12 38 III-TABLEAU PÉRIODIQUE (10/11)  bloc p : Métaux (à gauche de l’escalier établi à partir de Al) et Non métaux  Groupes 13 à 18  bloc f : Métaux de transition interne (Lanthanides et Actinides)  Groupe 3 (Eléments avec électron f) 39 III-TABLEAU PÉRIODIQUE (11/11) 40 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (1/11) IV-1.La masse atomique Masse atomique = masse de toutes les particules formant l’atome. Dans une même période, la masse atomique augmente de gauche à droite dans le tableau périodique. Puisque le nombre de particules de l’atome augmente de gauche à droite avec le numéro atomique, la masse atomique augmente également dans la même direction. Dans une même famille, la masse atomique augmente de haut en bas. 41 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (2/11) 42 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (3/11) IV-2.Rayon atomique rayon atomique = rayon de la sphère que forme l’atome plus le rayon atomique est grand, plus le volume de l'atome est grand Dans une même famille, le rayon atomique augmente de haut en bas dans le tableau périodique. En se déplaçant vers le bas du tableau périodique, le nombre de couches électroniques augmente. 43 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (4/11) dans une même période, le rayon atomique augmente de droite à gauche dans le tableau périodique. Lorsqu'on se déplace vers la droite, le numéro atomique augmente, ce qui signifie qu'un plus grand nombre de protons est présent dans le noyau. Ces charges positives exercent une force d'attraction plus grande sur les électrons situés sur les couches électroniques, ce qui les rapproche du noyau. Le rayon atomique est donc plus petit pour ces éléments. 44 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (5/11) 45 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (6/11) IV-3. Électronégativité L'électronégativité représente la force avec laquelle le noyau de l’atome attire les électrons de sa dernière couche électronique. Dans une même période, l'électronégativité augmente de gauche à droite dans le tableau périodique. Au fur et à mesure que l'on se déplace vers la droite, les atomes ont tendance à gagner des électrons afin d'acquérir une configuration électronique stable. Ainsi, les non-métaux ont une plus forte tendance à acquérir des électrons. 46 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (7/11) Dans une même famille, l'électronégativité augmente du bas vers le haut du tableau périodique. Puisque les atomes du bas du tableau périodique sont plus gros, la force d'attraction exercée par le noyau est plus faible étant donné la plus grande distance entre les charges positives du noyau et les électrons situés sur la dernière couche électronique. Par conséquent, plus l'atome est grand, plus l'électronégativité diminue. 47 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (8/11) 48 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (9/11) IV-4.Énergie d’ionisation L'énergie d'ionisation = l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. dans une même période, l'énergie d'ionisation augmente de gauche à droite dans le tableau périodique. Dans les atomes situés à droite, le noyau atomique exerce une plus grande force sur les électrons. Ces électrons nécessitent donc une plus grande quantité d'énergie pour qu'ils soient arrachés. 49 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (10/11) dans une même famille, l'énergie d'ionisation augmente du bas vers le haut du tableau périodique. La quantité d'énergie nécessaire pour retirer un électron est plus petite pour les éléments du bas du tableau, car la force d'attraction entre les électrons de valence et le noyau est plus petite. Ces électrons étant moins attirés, il est plus facile de les arracher que dans un élément situé dans le haut du tableau. 50 IV-ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES ÉLÉMENTS (11/11) 51 V-APPLICATIONS DES ÉLÉMENTS DE LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE (1/5) En fonction de leurs propriétés physiques et chimiques : * métaux, * non métaux, *métalloïdes. 52 V-APPLICATIONS DES ÉLÉMENTS DE LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE (2/5) les métaux : solides brillants très conducteurs susceptibles de former des alliages avec d'autres métaux ainsi que des composés ioniques avec des non métaux ; les non métaux: isolants souvent gazeux susceptibles de former des composés covalents avec d'autres non-métaux et des composés ioniques avec des métaux ; 53 V-APPLICATIONS DES ÉLÉMENTS DE LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE (3/5) les métalloïdes : propriétés intermédiaires entre métaux et non- métaux, et sont situés, dans le tableau, entre ces deux catégories d'éléments. 54 V-APPLICATIONS DES ÉLÉMENTS DE LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE (4/5) Applications dans divers domaines *industrie chimique :colorant dans les peintures(manganèse , chrome) *industrie alimentaire -hydrogénation de composés non saturés dans les huiles transformées en margarine *industrie aéronautique: titane, rhénium 55 V-APPLICATIONS DES ÉLÉMENTS DE LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE (5/5) *En médecine et pharmacie -antiseptique: iode -antianémique: fer -alliage dentaire: molybdène -prothèse dentaire: zirconium -agent de contraste dans l’exploration de la glande thyroïdienne: iode -prévention/traitement du rachitisme et de l’ostéoporose: calcium. 56 CONCLUSION La classification périodique des éléments est un outil indispensable au chimiste. Elle confirme la bonne corrélation entre les propriétés chimiques de ces éléments et la configuration électronique de la couche de valence. Prédiction possible des propriétés physiques et chimiques des éléments en fonction de leur position. 57