Propriétés périodiques des éléments PDF

Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. La classification périodique des éléments chimiques A/Les tentatives de classification des éléments : 1. La situation avant 17/02/1869 : Au même titre que le naturaliste Carl V...

Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. La classification périodique des éléments chimiques A/Les tentatives de classification des éléments : 1. La situation avant 17/02/1869 : Au même titre que le naturaliste Carl Von Linné avait conçu une classification et une nomenclature binomiale des plantes, les chimistes cherchèrent à élaborer un système de classification des éléments chimiques.  Des 1817, le chimiste allemand J.W. Dobereiner avait reconnu l'existence de similitudes entre certains éléments, lesquelles pouvaient apparemment être classés en" triades " : o le chlore, le brome, l'iode sont des halogènes ; o le lithium, le sodium et le potassium sont des métaux alcalins ; o le calcium, le strontium et le baryum sont des métaux alcalino-terreux ;  La découverte subséquente d'éléments tel que le césium et le rubidium, autres métaux alcalins, imposait d'élargir la notion de triade. Vers 1860, une 60aine d'éléments étaient connu, pour lesquelles le chimiste italien S. Cannizzaro avait pu établir les masses atomiques.  En 1864, Le chimiste anglais John A.R. Newlands proposa un système de classification des éléments suivant l'ordre croissant de leurs masses atomiques : il remarqua que le 8eme élément présentait des analogies avec le 1er, la 9eme avec le second …etc., d’où l'idée que les éléments obéissent à une loi des octaves.  Les recherches d'un critère pour un mode de classement des divers éléments s'intensifièrent par d'autres chimistes. 2. MENDELIEV et ses 63 fiches : Le jour faste ! Apres avoir récolté maintes informations au sujet des 63 éléments chimiques connus à l’époque, un chimiste russe, Dmitri I. Mendeleïev, entreprit, dans la journée du 17 février 1869, de classer ceux-ci en examinant minutieusement leurs propriétés physico-chimiques ainsi que leur valence vis-à-vis de l'oxygène et/ou de l'hydrogène. Il constata qu'en classant ces éléments par ordre de masse atomique croissante, leur propriétés se modifient régulièrement d'un terme à l'autre pour subir à un moment donné une modification brusque ; à partir de celui-ci, --que Mendeleïev place sur une nouvelle rangé horizontale ( période) en dessous de la précédente --. Ce faisant , en veillant donc à aligner, sous forme de colonnes, des éléments à propriétés similaires , Mendeleïev n'hésite pas à inverser l'ordre du tellure (masse atomique 128) et l'iode (127) , pensant qu'il y a une erreur sur la masse du tellure qui selon lui doit avoisiner 125. IL fut en outre obligé de laisser des places vides dans son tableau. Mais – et c'est là trait de génie de Mendeleïev - , un examen attentif de leurs propriétés servait de critère pour positionner dans telle ou telle colonne. 1 Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. 3. Apres Mendeleïev La classification de Mendeleïev subit un 1er assaut avec la découverte, en 1884, de 2 gaz simples sur la planète terre : Ar dans l'air et He dans un minerai d'uranium. Come aucune place dans le tableau périodique n'était prévu pour recevoir ces nouveaux éléments , on trouva un ajustement en y ajoutant une colonne supplémentaire , une heureuse solution , qui amène Ramsay à prévoir l'existence de 3 nouveaux gaz , homologues à Ar et He , pour compléter cette colonne en conformité avec les rangés déjà existantes. Encore une fois, l’expérience confirme les prévisions : Ramsay isola en 1898le Ne, Kr et Xe , le Rn s'ajouta bientôt (1900) à cette colonne à laquelle on attribua le numéro 0. La classification a eu subir un autre assaut, avec l'identification sur une assez longue durée (1878-1907) d'une dizaine d'éléments chimiquement semblables à des éléments déjà connus , mais qui avaient été difficile à classer dans le système de Mendeleïev ; on les nomma le groupe des "terres rares ". encore une fois, on réussit à sauvegarder l'échafaudage de Mendeleïev en plaçant tout le groupe des terres rares en une seule et même case , celle du lanthane. Ce groupe d'éléments compris entre le Lanthane et l'Hafnium , pris éventuellement le nom de série des lanthanides. Il y eu beaucoup de tâtonnement en essayant de les déployer dans un système de classification avant d'en arriver à la forme actuelle qui place le groupe des 14 éléments (z : 58-71) sous forme d'une rangé horizontale à la base du tableau. B/ Les classifications modernes : Se basent sur le numéro atomique Z et la valence de l’élément 02 classifications sont proposées: 1- La classification courte combine Z et valence: 2- La classification longue se base uniquement sur Z: 2  Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. 1. La classification courte : 08 colonnes → groupe/famille ( I à VIII/0) représente la valence des éléments 08 lignes → progression des couches électroniques K, L, M, N, O, P Groupe O → éléments à valence = O → gaz rares Groupe VIII → les triades à partir de la couche N: 02 éléments /case: éléments A et B ayant des états de valence équivalents Lanthanides et actinides → extérieur du tableau Couche Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe Groupe 0 Groupe électronique I II III IV V VI VII VIII KLMNOP A B A B A B A B A B A B A B L 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne M 11Na 12Mg 13 Al 14 Si 15P 16S 17Cl 18 Ar N 19 K 20 Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 36Kr 26Fe27C 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33 As 34Se 35 Br o28 Ni O 37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 54Xe 44Ru45R 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I h46Pd P 55Cs 56Ba 57-71TR 72 Hf 73Ta 74W 75Re 86Rn 76Os77Ir 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 78Pt Q 87Fr 88Ra 89Ac 90Th 91Pa 92U 57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Il 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu 2. La classification longue ( IUPAC): 07 périodes et 18 colonnes ou familles chimiques Une période se définit par le remplissage progressif des sous-couches électroniques jusqu'à atteindre la sous-couche s de la couche électronique suivante. Chaque case comprend 01 seul élément 1e, 2e, 3e période : existence des cases vides Les éléments se déduisent les uns des autres par Z↗ Les familles chimiques = éléments ayant même structure électronique externe Période = progression des couches K, L, M, O, P classification périodique des éléments d’après IUPAC (union internationale de chimie pure et appliquée): 118 éléments 1H →118Uuo Constitué de 04 blocs : Bloc s => Hydrogene + alcalins (1) , alcalinoterreux(2) Bloc p => groupe du Bore (13), cristallogènes (14),Pnictogènes (15), chalcogènes (16), halogènes (17), gaz rares (18), Bloc d => (groupe 3 à 12) les éléments de transition externes Bloc f => extérieur du tableau les éléments de transition internes: lanthanides et actinides (2x14) 3 Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. Propriétés périodiques des éléments :  La charge nucléaire effective (Règle de Slater 1930.) la charge nucléaire effective, Zeff, est la charge positive vue par un électron ; car les autres électrons forment un écran entre les électrons de valence et le noyau ; Zeff = Z – Ϭ où Ϭ est la constante d’écran Calcul de la charge effective  Ecrire la configuration électronique de l’élément selon la règle de Klechkowski  Simplifier la configuration électronique selon : (1s) (2s,2p) (3s, 3p) (3d) (4s, 4p) (4d) (4f) (5s,5p)...  Choisir l’électron pour lequel on cherche la charge effective. Tous les autres électrons apporteront une contribution partielle Ϭi à la constante d’écran totale Ϭ.  Cette contribution dépend :  du type d’orbitale (s, p), (d) ou (f) de l’électron,  de la couche électronique n de l’électron. 4 Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. I. Dimensions : I.1. Rayon atomique : Définition : c’est la demi distance entre les centres de deux noyaux d’une molécule diatomique homonucléaire liés par une liaison covalente simple. Evolution :  Dans un groupe : +n augmente, +r augmente A cause de l'augmentation du nombre de couches, on s’éloigne du noyau, les électrons sont attirés de moins en moins par le noyau  Dans une période : +Z augmente,+ r diminue Les électrons sont ajoutés à la même couche, et sont attirés de plus en plus par le noyau par augmentation des forces électrostatiques. dans le tableau périodique : -rayons les plus bas :halogènes -rayons les plus élevés :alcalins -rayons intermédiaires : gaz rares 5 Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. Explication pour les gaz rares : les électrons se retrouvent par paires électroniques, ce qui engendre un effet de répulsion (effet écran) qui compense la charge nucléaire. Courbe représente le rayon atomique en fonction de Z : r = f (z) I.2. le volume atomique : Définition : c'est le volume d’une mole d’atomes à l’état solide. Il est donné par le rapport de sa masse atomique sur sa masse volumique 𝑀 𝑀 ρ= , v= 𝑉 𝜌 𝑀 o En prenant d = ρ / ρeau et ρeau=1g /cm3On aura :v= 𝑑 o Le volume dépend de la densité et de la masse o La densité dépend de la température (+ T augmente, d diminue, V augmente) o Elle dépend également du système de cristallisation : une diminution du volume atomique n’implique pas nécessairement une diminution du rayon des atomes mais peut être dû à un empilement plus séré des atomes par le système de cristallisation) Evolution : pas d’évolution homogène o dans une période : le volume atomique diminue d’abord puis augmente quand Z augmente o dans un groupe : le volume atomique augmente généralement quand n augmente Exemple : tous le éléments du groupe 1 cristallisent dans le système CC , il y’a une évolution homogène :+n augmente ,+ V augmente I.3. Le rayon ionique : Le rayon ionique est le rayon d’un cation ou d’un anion  Les anions : lorsqu’un atome devient un anion, sa taille augmente car l’augmentation de la répulsion entre les électrons pousse les électrons à occuper un volume plus grand  Les cations : lorsqu’un atome devient un cation, l’inverse se produit, et le rayon diminue en plus, dans plusieurs cas, on vide un niveau quantique principal n entièrement et la couche de valence devient celle avec le nombre quantique principal (n-1) 6 Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. La série iso électronique : N3-, O2-, F-, Na+, Ca2+, et Al3+ (la même configuration électronique externe), leurs rayons ioniques sont très différents à cause de leurs charges nucléaires effectives Une plus grande charge nucléaire effective attire les électrons plus fortement et le rayon ionique devient plus petit Evolution : Dans la même série iso électronique : plus Z augmente, plus Ri diminue La charge nucléaire augmente devant un même nombre d’électrons constant. Donc la force d’attraction par le noyau augmente et le rayon diminue. Dans le tableau périodique :  dans une période : Ri diminue ( Ri des cations < Ri des anions )  dans un groupe : Ri augmente quand Z augmente II. Les propriétés thermiques : II.1. Température de fusion : Définition : c'est la température de passage de l’état solide à la l’état liquide Elle dépend de : o la forme cristalline o le volume de l’élément Evolution : Pour un même réseau cristallin : plus le volume atomique et faible, plus l'élément est dense, plus la température de fusion est élevée. *Dans le tableau périodique : -Bloc S : évolution homogène : Température diminue en descendant dans le groupe -Bloc d : température au-dessus de 1000°C sauf le groupe 12 la température est au- dessous de 1000°C (ce sont les métaux mous :Zn,Cd,Hg /pour le Hg elle est négative) -Bloc p : évolution très variable : certaines sont très augmentées et d’autres très basses (voire négatives)  Halogènes :Fluor : -220°C(gaz), Brome : -7,2 , Iode :114°C(solide) 7 Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A.  Gaz rares : ont les points de fusion et d'ébullition les plus bas (valeurs négatives) II.2-Température d’ébullition : La température de passage de l’état liquide à l’état vapeur L’évolution suit celle de la température de fusion III. Les structures cristallines : Certains éléments quand ils se solidifient (cristallisent) , ils forment des motifs réguliers qui sont le résultat d’un agencement des atomes qui les constituent et pouvant se répéter dans les 03 directions de l’espace. La maille élémentaire est le plus petit motif qui, en se reproduisant régulièrement dans les 3 directions de l’espace forme le cristal Le réseau cristallin est formé par la répétition de maille élémentaire, caractérisée par un ensemble de paramètres appelés paramètres de maille définis par les dimensions a, b, c et par les angles , ,. Les réseaux cristallins de Bravais : En 1848, Bravais a montré que les réseaux cristallins existants dans la nature sont de 14 types différents qui se divisent en sept mailles élémentaires définissant ainsi sept systèmes cristallins. 8 Propriétés périodiques des éléments Dr. KHABABA A. IV. Propriétés physico-chimiques: IV.1. L’énergie d’ionisation : Définition : Ioniser un atome est lui enlever un ou plusieurs électrons L'énergie de 1ere ionisation est l'énergie minimale qu'il faut fournir à un atome gazeux isolé pour lui arracher un électron selon la réaction : A g  A+ + 1e +Ei( Ei>0) L'électron extrait se trouve au niveau d'énergie le plus élevé , on comptera positivement cette énergie qui est fournie à l'atome. L'énergie de seconde ionisation est l'énergie nécessaire pour extraire un second électron Il existe plusieurs degrés d’ionisation : Li →Li+ +1 e +124,3 Kcal/mole Li+ → Li2+ +1e +1744 Kcal/mole Li2+ → Li3+ +1e+2823 Kcal/mole Ei1