Tableau périodique des éléments: historique, structure, éléments

Le tableau périodique des éléments est un outil qui permet de consulter les propriétés chimiques des 118 éléments connus jusqu'à présent. Lors des calculs stoechiométriques, il est essentiel de prévoir les propriétés physiques d'un élément, de les classer et de rechercher des propriétés périodiques parmi tous.

Les atomes deviennent plus lourds à mesure que leurs noyaux ajoutent des protons et des neutrons, qui doivent également être accompagnés de nouveaux électrons; sinon, l'électroneutralité ne serait pas possible. Ainsi, certains atomes sont très légers, comme l'hydrogène, et d'autres, super-lourds, comme l'oganeson.

À qui doit-on un tel cœur en chimie? Au scientifique Dmitri Mendeléyev, qui en 1869 (il y a presque 150 ans) publiait, après une décennie d'études et d'expériences théoriques, le premier tableau périodique dans le but d'organiser les 62 éléments connus à cette époque.

Pour cela, Mendeléyev s'est basé sur les propriétés chimiques, tandis que Lothar Meyer a parallèlement publié un autre tableau périodique organisé en fonction des propriétés physiques des éléments.

Initialement, la table contenait des "espaces vides", dont les éléments n'étaient pas connus depuis ces années. Cependant, Mendeléyev était capable de prédire avec une précision appréciable plusieurs de ses propriétés. Certains de ces éléments étaient: le germanium (qu'il a appelé eka-silicium) et le gallium (eka-aluminium).

Les premiers tableaux périodiques ont ordonné les éléments en fonction de leurs masses atomiques. Cette disposition permettait d’entrevoir une certaine périodicité (répétition et similitude) dans les propriétés chimiques des éléments; néanmoins, les éléments de transition ne sont pas d'accord avec cet ordre, ni les gaz nobles.

Pour cette raison, il était nécessaire de classer les éléments en considérant le numéro atomique (nombre de protons) au lieu de la masse atomique. À partir de là, avec le travail acharné et les contributions de nombreux auteurs, le tableau périodique de Mendeléyev a été mis au point et complété.

Histoire du tableau périodique

Éléments

L'utilisation d'éléments comme base pour décrire l'environnement (plus précisément la nature) est utilisée depuis l'Antiquité. Cependant, à cette époque, on les appelait les phases et les états de la matière, et non la manière dont il est fait référence depuis le Moyen Âge.

Les Grecs de l’Antiquité étaient convaincus que la planète que nous habitions était composée de quatre éléments fondamentaux: fier, ti erra, gua et aire.

En revanche, dans la Chine ancienne, le nombre d'éléments était de cinq et, contrairement aux Grecs, ils excluaient l'air et incluaient le métal et le bois.

La première découverte scientifique a été faite en 1669 par l'allemand Henning Brand, qui a découvert le phosphore; à partir de cette date, tous les éléments suivants ont été enregistrés.

Il est à noter que certains éléments tels que l'or et le cuivre étaient déjà connus avant le phosphore; la différence est qu'ils n'ont jamais été enregistrés.

Symbologie

Les alchimistes (prédécesseurs des chimistes actuels) ont donné des noms aux éléments en relation avec les constellations, à leurs découvreurs et aux lieux où ils ont été découverts.

En 1808, Dalton proposa une série de dessins (symboles) représentant les éléments. Ensuite, ce système de notation a été remplacé par celui de Jhon Berzelius (utilisé jusqu'à présent), car le modèle de Dalton est devenu plus compliqué à mesure que de nouveaux éléments sont apparus.

Evolution du schéma

Les premières tentatives pour créer une carte organisant l'information sur les éléments chimiques se sont déroulées au XIXe siècle avec la Triade de Döbereiner (1817).

Au fil des ans, de nouveaux éléments ont été trouvés, donnant naissance à de nouveaux modèles d'organisation jusqu'à atteindre celui utilisé actuellement.

Vis tellurique Chancurtois (1862)

Alexandré-Émile Béguyer de Chancourtois a conçu une hélice en papier sur laquelle il montrait un graphique en spirale (vis tellurique).

Dans ce système, les éléments sont ordonnés de plus en plus par rapport à leur poids atomique. Des éléments similaires sont alignés verticalement.

Octaves de Newlands (1865)

Poursuivant les travaux de Döbereiner, le britannique John Alexander Queen Newlands ordonna de plus en plus les éléments chimiques en ce qui concerne les poids atomiques, notant que tous les sept éléments présentaient des propriétés similaires (l'hydrogène n'étant pas inclus).

Tableau de Mendeléyv (1869)

Mendeléyv a classé les éléments chimiques par ordre croissant de poids atomique, en plaçant dans la même colonne ceux dont les propriétés étaient similaires. Des creux dans son modèle de tableau périodique prévoyant l'apparition de nouveaux éléments dans le futur (en plus de prédire les propriétés qu'il devrait avoir).

Les gaz rares ne figurent pas dans la table de Mendeléyv, car ils n'avaient pas encore été découverts. De plus, Mendeléiv n'a pas envisagé l'hydrogène.

Tableau périodique de Moseley (tableau périodique actuel) - 1913

Henry Gwyn Jeffreys Moseley a proposé de classer les éléments chimiques du tableau périodique en fonction de leur numéro atomique; c'est-à-dire en fonction de leur nombre de protons.

Moseley a énoncé la "loi périodique" en 1913: "Lorsque les éléments sont mis dans l'ordre de leurs numéros atomiques, leurs propriétés physiques et chimiques présentent des tendances périodiques."

Ainsi, chaque ligne ou période horizontale montre un type de relation et chaque colonne ou groupe en montre un autre.

Comment est-il organisé? (Structure et organisation)

On peut constater que le gâteau du tableau périodique a plusieurs couleurs. Chaque couleur associe des éléments ayant des propriétés chimiques similaires. Il y a des colonnes orange, jaune, bleue et violette; carrés verts et une pomme verte en diagonale.

Notez que les carrés dans les colonnes du milieu sont de couleur grisâtre, de sorte que tous ces éléments doivent avoir quelque chose en commun, à savoir qu’ils sont des métaux de transition à orbitales à moitié pleines.

De la même manière, les éléments des carrés pourpres, bien qu’ils proviennent de substances gazeuses, d’un liquide rougeâtre et même d’un solide noir (iode) et d’un gris argenté (astatine), sont leurs propriétés chimiques qui les rendent congénères. Ces propriétés sont régies par les structures électroniques de leurs atomes.

L'organisation et la structure du tableau périodique ne sont pas arbitraires, mais obéissent à une série de propriétés et de modèles de valeurs périodiques déterminés pour les éléments. Par exemple, si le caractère métallique diminue de gauche à droite du tableau, vous ne pouvez pas vous attendre à un élément métallique dans le coin supérieur droit.

Périodes

Les éléments sont disposés en rangées ou en périodes en fonction du niveau d'énergie de leurs orbitales. Avant la période 4, lorsque les éléments ont été remplacés dans l'ordre croissant de la masse atomique, il a été constaté que pour huit d'entre eux, les propriétés chimiques étaient répétées (loi des octaves, John Newlands).

Les métaux de transition étaient noyés dans d'autres éléments non métalliques, tels que le soufre et le phosphore. Pour cette raison, l'entrée de la physique quantique et celle des configurations électroniques pour la compréhension des tableaux périodiques modernes étaient essentielles.

Les orbitales d'une couche énergétique sont remplies d'électrons (et des noyaux de protons et de neutrons) au cours d'une période. Cette couche énergétique va de pair avec la taille ou le rayon atomique; par conséquent, les éléments des périodes les plus hautes sont plus petits que ceux en dessous.

Le H et le Il sont dans le premier niveau d'énergie (période); la première rangée de carrés gris, dans la quatrième période; et la rangée de carrés orange, en sixième période. Notez que bien que cette dernière semble être dans la supposée neuvième période, elle appartient en réalité à la sixième, juste après le carré jaune de Ba.

Groupes

En passant par une période, nous constatons que la masse, le nombre de protons et d'électrons augmentent. Dans la même colonne ou le même groupe, bien que la masse et les protons varient, le nombre d' électrons dans la couche de valence est le même.

Par exemple, dans la première colonne ou le premier groupe, le H a un seul électron dans l'orbitale 1s1, tout comme le Li (2s1), le sodium (3s1), le potassium (4s1) et ainsi de suite jusqu'au francium (7s1). Ce nombre 1 indique que ces éléments possèdent à peine un électron de valence et appartiennent donc au groupe 1 (IA). Chaque élément est dans des périodes différentes.

Sans compter l’hydrogène, la boîte verte, les éléments situés au-dessous sont des boîtes orange et sont appelées métaux alcalins. Une autre case à droite de chaque période correspond au groupe ou à la colonne 2; c'est-à-dire que ses éléments ont deux électrons de valence.

Mais en progressant un peu plus à droite, à l'insu des orbitales, vous arrivez au groupe de bore (B) ou au groupe 13 (IIIA); au lieu du groupe 3 (IIIB) ou du scandium (Sc). Compte tenu du remplissage des orbitales d, les périodes des carrés gris commencent à être parcourues: les métaux de transition.

Nombre de protons vs électrons de valence

Lors de l'étude du tableau périodique, une confusion peut apparaître entre le numéro atomique Z ou le nombre de protons totaux dans le noyau et la quantité d'électrons de valence. Par exemple, le carbone a un Z = 6, c'est-à-dire qu'il a six protons et donc six électrons (sinon, il ne pourrait pas s'agir d'un atome avec une charge neutre).

Mais, sur ces six électrons, quatre sont des valences . Pour cette raison, sa configuration électronique est [He] 2s22p2. [Il] désigne les deux électrons 1s2 de la couche fermée et, théoriquement, ils ne participent pas à la formation de liaisons chimiques.

De plus, comme le carbone a quatre électrons de valence, "commodément" est situé dans le groupe 14 (IVA) du tableau périodique.

Les éléments situés sous le carbone (Si, Ge, Sn, Pb et Fl) ont des nombres atomiques plus élevés (et des masses atomiques); mais tous ont en commun les quatre électrons de valence. C'est essentiel pour comprendre pourquoi un élément appartient à un groupe et non à un autre.

Eléments du tableau périodique

Block s

Comme on vient de l'expliquer, les groupes 1 et 2 se caractérisent par le fait d'avoir un ou deux électrons dans les orbitales. Ces orbitales ont une géométrie sphérique et, lorsque vous descendez dans l’un de ces groupes, les éléments acquièrent des couches qui augmentent la taille de leurs atomes.

En présentant de fortes tendances dans leurs propriétés chimiques et leurs modes de réaction, ces éléments sont organisés en bloc. Par conséquent, les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux appartiennent à ce bloc. La configuration électronique des éléments de ce bloc est ns (1s, 2s, etc.).

Bien que l'élément à l'hélium se trouve dans le coin supérieur droit de la table, sa configuration électronique est 1s2 et appartient donc à ce bloc.

Bloc p

Contrairement au bloc s, les éléments de ce bloc ont des orbitales complètement remplies, tandis que leurs p-orbitales continuent à se remplir d'électrons. Les configurations électroniques des éléments appartenant à ce bloc sont du type ns2np1-6 (les orbitales p peuvent avoir un à six électrons à remplir).

Alors, dans quelle partie du tableau périodique se trouve ce bloc? A droite: les carrés vert, violet et bleu; c'est-à-dire des éléments non métalliques et des métaux lourds, tels que le bismuth (Bi) et le plomb (Pb).

En commençant par le bore, avec la configuration électronique ns2np1, le carbone à sa droite ajoute un autre électron: 2s22p2. Ensuite, les configurations électroniques des autres éléments de la période 2 du bloc p sont les suivantes: 2s22p3 (azote), 2s22p4 (oxygène), 2s22p5 (fluor) et 2s22p6 (néon).

Si vous descendez dans les périodes inférieures, vous aurez le niveau d'énergie 3: 3s23p1-6, et ainsi de suite jusqu'à la fin du bloc p.

Notez que la chose la plus importante à propos de ce bloc est que, à partir de la période 4, ses éléments ont des orbitales complètement remplies (cases bleues à droite). En résumé: le bloc s est à gauche du tableau périodique, le bloc p à droite.

Éléments représentatifs

Quels sont les éléments représentatifs? Ce sont ceux qui d’une part perdent facilement des électrons, ou de l’autre, ils les gagnent pour compléter l’octet de valence. En d'autres termes: ce sont les éléments des blocs s et p.

Leurs groupes se distinguent des autres par une lettre A à la fin. Ainsi, il y avait huit groupes: de IA à VIIIA. Mais actuellement, le système de numérotation utilisé dans les tableaux périodiques modernes est l’arabe, de 1 à 18, métaux de transition compris.

Pour cette raison, le groupe de bore peut être le groupe IIIA ou 13 (3 + 10); le groupe carbone, TVA ou 14; et celui des gaz rares, le dernier à droite de la table, VIIIA ou 18.

Métaux de transition

Les métaux de transition sont tous les éléments des carrés gris. Tout au long de leurs règles, ils remplissent leurs orbitales d, qui sont cinq et peuvent donc avoir dix électrons. Puisqu'ils doivent avoir dix électrons pour remplir de telles orbitales, il doit alors y avoir dix groupes ou colonnes.

Dans l’ancien système de numérotation, chacun de ces groupes était désigné par des chiffres romains et une lettre B à la fin. Le premier groupe, celui du scandium, était composé de IIIB (3), de VIIIB de fer, de cobalt et de nickel pour avoir des réactivités très similaires (8, 9 et 10) et de zinc IIB (12).

Comme on peut le constater, il est beaucoup plus facile de reconnaître les groupes en chiffres arabes qu'en utilisant des chiffres romains.

Métaux de transition internes

À partir de la période 6 du tableau périodique, les orbitales commencent à être disponibles sur le plan énergétique. Ceux-ci doivent être remplis en premier lieu que les orbitales d; et par conséquent, ses éléments sont généralement séparés les uns des autres afin de ne pas trop allonger la table.

Les deux dernières périodes, orange et grise, correspondent aux métaux de transition internes, également appelés lanthanides (terres rares) et actinides. Il y a sept orbitales, qui ont besoin de quatorze électrons pour se remplir, et par conséquent, il doit y avoir quatorze groupes.

Si ces groupes sont ajoutés au tableau périodique, il y aura 32 au total (18 + 14) et il y aura une version "allongée":

La rangée rose clair correspond aux lantanoïdes, tandis que la rangée rose foncé correspond aux actinoïdes. Le lanthane, La avec Z = 57, actinium, Ac avec Z = 89 et tout le bloc f appartiennent au même groupe de scandium. Parce que? Parce que le scandium a une orbitale nd1, présente dans le reste des lanthanoïdes et des actinoïdes.

La et Ac ont des configurations de valence 5d16s2 et 6d17s2. En se déplaçant vers la droite dans les deux rangées, les orbitales 4f et 5f commencent à se remplir. Une fois rempli, vous atteignez les éléments Lutecio, Lu et Laurencio, Lr.

Métaux et non-métaux

Laissant derrière le gâteau du tableau périodique, il est plus pratique de recourir à celui de l'image supérieure, même dans sa forme allongée. À l'heure actuelle, la grande majorité des éléments mentionnés sont des métaux.

À la température ambiante, tous les métaux sont des substances solides (à l'exception du mercure, liquide), de l'argent grisâtre (à l'exception du cuivre et de l'or). En outre, ils sont généralement durs et brillants; bien que ceux du bloc soient mous et fragiles. Ces éléments se caractérisent par leur capacité à perdre des électrons et à former des cations M +.

Dans le cas des lanthanoïdes, ils perdent les trois électrons 5d16s2 pour devenir des cations trivalents M3 + (comme La3 +). Le cérium, en revanche, est capable de perdre quatre électrons (Ce4 +).

En revanche, les éléments non métalliques constituent la plus petite partie du tableau périodique des éléments. Ce sont des gaz ou des solides avec des atomes liés de manière covalente (tels que le soufre et le phosphore). Tous sont situés dans le bloc p; plus précisément, dans la partie supérieure de celle-ci, puis en descendant vers les périodes inférieures augmente le caractère métallique (Bi, Pb, Po).

De plus, les non-métaux au lieu de perdre des électrons, les gagnent. Ainsi, ils forment des anions X avec différentes charges négatives: -1 pour les halogènes (groupe 17) et -2 pour les chalcogènes (groupe 16, celui de l'oxygène).

Familles de métal

Dans les métaux, il existe une classification interne permettant de les différencier:

-Les métaux du groupe 1 sont alcalins

-Groupe 2, métaux alcalino-terreux (M. Becambara)

-Groupe 3 (IIIB) famille Scandium. Cette famille est conformée par le scandium, le chef du groupe, de l'yttrium Y, du lanthane, de l'actinium et de tous les lanthanoïdes et actinoïdes.

-Groupe 4 (IVB), famille du titane: Ti, Zr (zirconium), Hf (hafnium) et Rf (rutherfordio). Combien d'électrons de valence ont-ils? La réponse est dans votre groupe.

-Groupe 5 (VB), famille du vanadium. Groupe 6 (VIB), famille du chrome. Et ainsi de suite jusqu'à la famille du zinc, groupe 12 (IIB).

Les métalloïdes

Le caractère métallique augmente de droite à gauche et de haut en bas. Mais quelle est la limite entre ces deux types d'éléments chimiques? Cette bordure est composée d'éléments connus sous le nom de métalloïdes, qui présentent des caractéristiques à la fois métalliques et non métalliques.

Les métalloïdes peuvent être vus dans le tableau périodique dans l'escalier qui commence par le bore et se termine dans l'élément radioactif astatine. Ces éléments sont:

-B: bore

-Silicio: Oui

-Ge: germanium

-En tant qu'arsenic

-Sb: antimoine

-Te: Tellure

-À: astatine

Chacun de ces sept éléments présente des propriétés intermédiaires variables en fonction de l'environnement chimique ou de la température. L'une de ces propriétés est la semi-conductivité, c'est-à-dire que les métalloïdes sont des semi-conducteurs.

Gaz

Dans les conditions terrestres, les éléments gazeux sont les métaux non légers, tels que l'azote, l'oxygène et le fluor. En outre, le chlore, l'hydrogène et les gaz rares entrent dans cette classification. Parmi eux, les plus emblématiques sont les gaz rares, en raison de leur faible tendance à réagir et à se comporter comme des atomes libres.

Ces derniers font partie du groupe 18 du tableau périodique et sont:

-Helio, il

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-krypton, Kr

-Xenon, Xe

-Radón, Rn

-Et le plus récent de tous, le gaz noble synthétique oganneson, Og.

Tous les gaz rares ont en commun la configuration de valence ns2np6; c'est-à-dire qu'ils ont terminé l'octet de valence.

États d'agrégation des éléments à d'autres températures

Les éléments sont à l'état solide, liquide ou gazeux selon la température et la force de leurs interactions. Si la température de la Terre devait refroidir jusqu'à atteindre le zéro absolu (0K), tous les éléments gèleraient; à l'exception de l'hélium, qui se condenserait.

À cette température extrême, le reste des gaz serait sous forme de glace.

À l'autre extrême, si la température était d'environ 6 000 K, "tous" les éléments seraient à l'état gazeux. Dans ces conditions, on pouvait littéralement observer des nuages ​​d'or, d'argent, de plomb et d'autres métaux.

Usages et applications

Le tableau périodique seul a toujours été et sera toujours un outil de consultation des symboles, des masses atomiques, des structures et autres propriétés des éléments. Il est très utile lors de calculs stoechiométriques, qui sont à l’ordre du jour dans de nombreuses tâches effectuées à l’intérieur et à l’extérieur du laboratoire.

De plus, le tableau périodique permet également de comparer les éléments d'un même groupe ou d'une même période. Ainsi, il est possible de prédire comment certains composés des éléments seront.

Prédiction des formules des oxydes

Par exemple, pour les oxydes de métaux alcalins, en ayant un électron de valence unique, et donc une valence de +1, la formule de leurs oxydes devrait être du type M 2 O. Ceci est vérifié avec l'oxyde d’hydrogène, d’eau, H 2 O. Également avec les oxydes de sodium, Na 2 O et de potassium, K 2 O.

Pour les autres groupes, leurs oxydes doivent avoir une formule générale M 2 O n, où n est égal au numéro du groupe (si l'élément provient du bloc p, n-10 est calculé). Ainsi, le carbone, qui appartient au groupe 14, forme CO 2 (C 2 O 4/2 ); soufre, groupe 16, SO 3 (S 2 O 6/2 ); et azote du groupe 15, N 2 O 5 .

Cependant, cela ne s'applique pas aux métaux de transition. En effet, bien que le fer appartienne au groupe 8, il ne peut pas perdre 8 électrons mais 2 ou 3. Par conséquent, au lieu de mémoriser les formules, il est plus important d’être attentif aux valences de chaque élément.

Valencias des éléments

Les tableaux périodiques (certains) indiquent les valences possibles pour chaque élément. Sachant cela, on peut estimer à l'avance la nomenclature d'un composé et sa formule chimique. Comme mentionné ci-dessus, les valences sont liées au numéro de groupe; bien que cela ne s'applique pas à tous les groupes.

Les valences dépendent davantage de la structure électronique des atomes et des électrons pouvant réellement perdre ou gagner.

En connaissant le nombre d'électrons de valence, on peut également commencer par la structure de Lewis d'un composé à partir de cette information. Le tableau périodique permet donc aux étudiants et aux professionnels d’esquisser des structures et de faire un inventaire des géométries et structures moléculaires possibles.

Tableaux numériques périodiques

De nos jours, la technologie a permis aux tableaux périodiques d’être plus polyvalents et d’offrir davantage d’informations à tout le monde. Plusieurs d'entre eux apportent des illustrations frappantes de chaque élément, ainsi qu'un bref résumé de leurs utilisations principales.

La manière dont il interagit avec eux accélère leur compréhension et leur étude. Le tableau périodique doit être un outil agréable à regarder, facile à explorer et la méthode la plus efficace pour en connaître les éléments chimiques consiste à voyager de périodes en groupes.

Importance du tableau périodique

Actuellement, le tableau périodique est l’instrument organisationnel de la chimie le plus important en raison des relations détaillées qui unissent ses éléments. Son utilisation est essentielle pour les étudiants et les enseignants, ainsi que pour les chercheurs et de nombreux professionnels dédiés au domaine de la chimie et de l'ingénierie.

Il suffit de regarder le tableau périodique pour obtenir une quantité énorme d’informations rapidement et efficacement, telles que:

- Le lithium (Li), le béryllium (Be) et le bore (B) conduisent l'électricité.

- Le lithium est un métal alcalin, le béryllium est un métal alcalino-terreux et le bore est un métal non métallique.

- Le lithium est le meilleur conducteur des trois nommés, suivi du béryllium et enfin du bore (semi-conducteur).

Ainsi, en localisant ces éléments dans le tableau périodique, vous pouvez instantanément conclure à leur tendance à la conductivité électrique.