Leçon 5 : Classification périodique des éléments chimiques

Classification périodique des éléments chimiques

Classification périodique des éléments chimiques

الترتيب الدوري للعناصر الكيميائية

Situation problème

Dès le début du 19ème siècle, les éléments chimiques deviennent de plus en plus nombreux, ce qui a poussé les scientifiques à essayer de les classer et de les regrouper.

  • Comment les éléments chimiques sont-ils regroupés ?
  • Quelle est l’utilité de la classification périodique des éléments chimiques ?

I.Classification périodique des éléments chimiques

1. Classification périodique selon MENDELEÏEV

En 1860, un jeune chimiste russe, Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV, propose une première classification périodique des éléments chimiques qui contenait 63 éléments connus à l’époque, en les rangeant selon deux critères principaux :

  • Classer les éléments chimiques par ordre de masses atomiques croissantes
  • Les éléments chimiques figurant dans une même colonne présentent des propriétés chimiques similaires

Mendeleïev prévoyait l’existence d’éléments chimiques inconnus à l’époque, où il plaçait à leurs places un point d’interrogation ( ? ). Ils ont été découverts plus tard et leurs propriétés étaient identiques à celles déjà prévues par Mendeleïev, comme le germanium, découvert en 1886.

2. Classification périodique actuelle

Le tableau périodique actuel comporte des lignes horizontales appelées périodes, dont le nombre est 7, et des colonnes verticales appelées groupes, dont le nombre est 18. Il est basé sur les critères suivants :

  • Les éléments chimiques sont classés par ordre de numéro atomique Z croissant.
  • Chaque période comporte les atomes qui ont le même nombre de couches électroniques occupées. Le nombre de couches électroniques occupées représente le numéro de la période. 1ère période : couche K, 2ème période : couche L, 3ème période : couche M.
  • Chaque groupe comporte les atomes qui ont le même nombre d’électrons sur leurs couches externes. Le nombre d’électrons sur les couches externes représente le numéro du groupe. Les atomes des éléments du groupe (I) ont 1 électron sur la couche externe, ceux du groupe (II) ont 2 électrons sur la couche externe, etc…

Exemple :

₈O : (K)²(L)⁶ → 2 couches occupées : 2ème période ; 6 électrons sur la couche externe : groupe (VI)

Exercice d’application 1

Remplir le tableau suivant par les éléments chimiques dont le numéro atomique 1 ≤ Z ≤ 18 :
H(Z=1), He(Z=2), Li(Z=3), Be(Z=4), B(Z=5), C(Z=6), N(Z=7), O(Z=8), F(Z=9), Ne(Z=10), Na(Z=11), Mg(Z=12), Al(Z=13), Si(Z=14), P(Z=15), S(Z=16), Cl(Z=17), Ar(Z=18)

Figure : le tableau périodique simplifié

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II.Utilisation du tableau périodique des éléments chimiques

1. Les familles chimiques

Une famille chimique est constituée de l’ensemble des éléments chimiques appartenant à un même groupe du tableau périodique. Ces éléments possèdent des propriétés chimiques similaires.

a. Famille des métaux alcalins

C’est le groupe (I), à l’exception de l’hydrogène H ; il contient Li, Na, K … Ces éléments possèdent 1 électron sur leurs couches électroniques externes. Ils donnent des ions Li+, Na+, K+ … Ce sont des métaux mous.

b. Famille des métaux alcalino-terreux

C’est le groupe (II) ; il contient Be, Mg, Ca … Ces éléments possèdent 2 électrons sur leurs couches électroniques externes. Ils donnent des ions Be2+, Mg2+, Ca2+ …

c. Famille des halogènes

C’est le groupe (VII) ; il contient F, Cl, Br, I … Ces éléments possèdent 7 électrons sur leurs couches électroniques externes. Ils donnent des ions F–, Cl–, Br–, I– … Ils existent dans la nature sous la forme de molécules diatomiques F2, Cl2, Br2, I2.

Cristaux de diiode (violet)Dibrome liquide (orange)Dichlore gazeux (vert pâle)

d. Famille des gaz rares

C’est le groupe (VIII) ; il contient He, Ne, Ar … Ces éléments possèdent une grande stabilité chimique, c-à-d qu’ils ne réagissent pas car leurs couches externes sont saturées.

2. Autres utilisations

La classification périodique des éléments chimiques permet de :

  • Prédire les réactions chimiques possibles dans lesquelles les éléments chimiques appartenant au même groupe peuvent être engagés.

Exemple :

4 Li + O2 → 2 Li2O  ;  4 Na + O2 → 2 Na2O  ;  4 K + O2 → 2 K2O

  • Déterminer la formule chimique des ions monoatomiques susceptibles de se former à partir des éléments chimiques appartenant au même groupe.
  • Déterminer la formule chimique des molécules dans lesquelles les éléments chimiques appartenant au même groupe peuvent être engagés.

Exemple :

  • L’atome de carbone C se combine avec 4 atomes d’hydrogène H pour donner une molécule CH4
  • L’atome de silicium Si se combine avec 4 atomes d’hydrogène H pour donner une molécule SiH4

Exercice d’application 2

La couche électronique externe d’un atome est la couche (L). Elle comporte 7 électrons.

  1. Dans quelle période et quel groupe de la classification périodique appartient l’élément chimique correspondant ?
  2. Donner son numéro atomique et l’identifier.
  3. Quel ion monoatomique est susceptible de se former à partir de cet atome ? Justifier.
  4. Nommer la famille à laquelle cet élément chimique appartient. Citer deux éléments appartenant à la même famille.
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1. Couche externe L : 2ème période ; 7 électrons externes : groupe (VII).

2. Structure : (K)²(L)⁷, donc Z = 2 + 7 = 9 : c’est le fluor F.

3. L’atome gagne 1 électron pour saturer sa couche L (8 électrons) : F–.

4. Famille des halogènes : par exemple Cl et Br.

Tableau périodique complet

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Exercices

Exercice 1

La couche électronique externe d’un atome est la couche (M). Elle comporte 1 électron.

  1. Dans quelle période et quel groupe de la classification périodique appartient l’élément chimique correspondant ?
  2. Donner son numéro atomique et l’identifier.
  3. Quel ion monoatomique est susceptible de se former à partir de cet atome ? Justifier.
  4. Nommer la famille à laquelle cet élément chimique appartient. Citer deux éléments appartenant à la même famille.
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1. 3ème période, groupe (I). 2. (K)²(L)⁸(M)¹ : Z = 11, le sodium Na. 3. Il perd 1 électron : Na+ (structure (K)²(L)⁸ saturée). 4. Famille des métaux alcalins : Li, K.

Exercice 2

Un élément X se trouve dans la 3ème période et dans le groupe (II) dans le tableau périodique simplifié.

  1. Déduire la structure électronique de l’atome de l’élément X.
  2. Déterminer le numéro atomique de cet élément ainsi que son symbole et son nom.
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1. (K)²(L)⁸(M)². 2. Z = 2 + 8 + 2 = 12 : le magnésium Mg.

Exercice 3

Un élément chimique inconnu appartient à la famille des alcalino-terreux et sa couche électronique externe est la couche L.

  1. Donner son numéro atomique et l’identifier.
  2. Établir la configuration électronique de l’atome de cet élément.
  3. Les ions formés par les éléments de cette famille chimique peuvent être caractérisés par le même test au nitrate d’argent. Pourquoi ?
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1. Groupe (II), 2ème période : Z = 2 + 2 = 4, le béryllium Be. 2. (K)²(L)². 3. Les éléments d’une même famille ont des propriétés chimiques similaires, donc leurs ions réagissent de la même façon et se caractérisent par le même test.

Exercice 4

Le numéro atomique de l’atome de chlore Cl est Z = 17.

  1. Donner la configuration électronique de l’atome de chlore.
  2. Quel ion monoatomique est susceptible de se former à partir de cet atome ?
  3. Sous quelle forme le chlore existe-t-il dans la nature ?
  4. Donner le nom et le symbole de deux éléments chimiques appartenant au même groupe que le chlore.
  5. Combien d’électrons possède chacun de ces éléments sur sa couche externe ?
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1. (K)²(L)⁸(M)⁷. 2. L’ion chlorure Cl–. 3. En molécule diatomique Cl2 (dichlore). 4. Le fluor F et le brome Br. 5. 7 électrons sur la couche externe.

Exercice 5

À l’aide du tableau périodique des éléments, établir la configuration électronique de l’atome de béryllium.

  1. Donner le nom et le symbole chimique de l’ion monoatomique stable formé par l’atome de béryllium. Justifier.
  2. À l’aide de la classification périodique, établir la configuration électronique de l’atome d’oxygène.
  3. Donner le nom et le symbole chimique de l’ion monoatomique stable formé par l’atome de chlore. Justifier.
  4. L’association de l’ion béryllium et de l’ion oxyde conduit à la formation de l’oxyde de béryllium, espèce chimique électriquement neutre. Établir la formule chimique brute du chlorure de béryllium.
  5. Par analogie avec l’oxyde de béryllium, établir la formule chimique brute de l’oxyde de magnésium.
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Be : (K)²(L)².

1. Il perd 2 électrons pour avoir (K)² saturée : l’ion béryllium Be2+.

2. O : (K)²(L)⁶ (il gagne 2 électrons : ion oxyde O2–).

3. Cl : (K)²(L)⁸(M)⁷ ; il gagne 1 électron : l’ion chlorure Cl–.

4. Be2+ + O2– → BeO (neutre). Avec Cl– : il faut 2 Cl– pour 1 Be2+ : BeCl2.

5. Mg2+ + O2– → MgO.

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