⭐ COMPRENDRE LE TABLEAU PERIODIQUE

Comme nous l’avons vu dans une précédente vidéo, le tableau périodique des éléments a été mis au point par le chimiste russe Dimitri Mendeleïev en 1869. Il présente tous les éléments chimiques présents sur Terre et dans l’Univers. La structure de base de ce tableau n’est pas déterminée au hasard, mais par des lois fondamentales et universelles de la mécanique quantique. Le tableau périodique se base sur la représentation de l’atome selon le modèle de Rutherford-Bohr. Le noyau de l’atome est composé de protons, de charge électrique positive, et de neutrons de charge neutre. Le noyau est entouré d’un nuage d’électrons, de charges électriques négatives. L’atome est électriquement neutre lorsque le nombre d’électrons correspond au nombre de protons dans le noyau. Les électrons se répartissent autour du noyau en couche électronique. Plus un atome possède d’électrons, plus il a de couches électroniques. La façon dont les électrons sont distribués dépend du nombre maximal d’électrons que peut contenir une couche. Chaque couche électronique peut contenir un nombre maximum d’électrons. A l'état fondamental, le nombre maximal de couches est de 7. La première couche est la plus proche du noyau. Elle peut contenir au maximum 2 électrons. La deuxième jusqu'à 8 électrons, la troisième jusqu'à 18 électrons, la quatrième jusqu'à 32 électrons, la cinquième jusqu'à 50 électrons, la sixième jusqu'à 72 électrons, et la dernière couche jusqu'à 98 électrons. Hormis pour les éléments de transition, la couche électronique la plus externe d'un atome est appelée couche de valence. Le nombre d'électrons qui l'occupent détermine les propriétés chimiques de l'atome. Les éléments chimiques dont la couche de valence n'est occupée que par un seul électron sont les plus réactifs. C’est le cas de l’hydrogène et des métaux alcalins, regroupés dans la première colonne du tableau. Tandis que ceux dont la couche de valence est saturée d'électrons tendent à être chimiquement inertes. C’est le cas des gaz neutres, regroupés dans la dernière colonne du tableau. Dans ce tableau, les éléments chimiques sont classés dans l’ordre croissant de leur numéro atomique Z qui correspond à un nombre de protons que l’on trouve dans le noyau de chaque atome. Le numéro atomique est toujours un nombre entier, compris entre 1 pour l’hydrogène à 94 pour le plutonium. Les éléments 95 à 118 sont des éléments créés artificiellement en laboratoire. Le numéro atomique détermine à son tour le nombre d’électrons qui gravitent autour du noyau. Dans le tableau périodique, les lignes horizontales sont appelées PÉRIODES. Tous les éléments d’une même période possèdent le même nombre de couches électroniques. Nous l’avons dit, à l’état fondamentale, il existe 7 couches électroniques. Il y a donc 7 lignes dans le tableau, correspondant aux 7 périodes numérotées de 1 à 7. Autrement dit, un atome situé dans la première période possède une seule couche électronique. Un atome situé dans la deuxième période possède deux couches électroniques. Et ainsi de suite. Les colonnes sont appelées FAMILLES. Il existe 18 colonnes. Chaque colonne contient des éléments dotés du même nombre d'électrons sur l’orbite externe, c'est-à-dire sur la couche de valence. Comme c’est le nombre d’électrons situé sur la couche de valence qui détermine les propriétés chimiques des éléments, les éléments situés dans une même colonne possèdent des propriétés chimiques similaires. Par exemple, les éléments du groupe 18 sont tous des gaz qui ne réagissent pas facilement avec les autres éléments. Il faut cependant noter deux particularités. Le tout premier élément, l'hydrogène, est placé par convention, en haut à gauche. Mais l'hydrogène est un gaz alors que les éléments de la 1er colonne sont des métaux mous. L’hydrogène possède toutefois un seul électron de valence, comme tous les éléments de la première colonne. L’hélium quant à lui, fait partie de la famille 18. Il n’a que 2 électrons de valence, et non 8. Pourquoi a-t-il été classé dans la famille 18 et non dans la famille 2 ? Parce que sa couche électronique est complète, comme celles des autres éléments de la famille 18. En effet, l’unique couche électronique de l’hélium peut contenir un maximum de 2 électrons. Cette caractéristique lui donne des propriétés chimiques similaires aux éléments de la famille 18. La MASSE ATOMIQUE représente la masse de toutes les particules formant l'atome, soit l’ensemble des protons, des neutrons et des électrons qui composent l’atome en question. Dans une même période, la masse atomique augmente de gauche à droite car le nombre de particules dans l’atome augmente. Dans une même famille, la masse atomique augmente de haut en bas. Cela signifie que, plus un atome est bas dans le tableau, plus il contient de protons. En conséquence, sa masse atomique est aussi plus élevée. Le RAYON ATOMIQUE représente la taille de l’atome. Plus le rayon atomique est grand, plus le volume de l'atome est grand. 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. 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 augmentent. Les électrons se retrouvent donc de plus en plus loin du noyau, ce qui contribue à l'augmentation du rayon atomique. Dans un groupe, du haut vers le bas, la taille ou le rayon d’un atome augmente. Les éléments ont plus de couches d’électrons, ce qui donne des atomes plus gros. Dans une période, de gauche à droite, la taille de l’atome diminue. Une plus grande quantité de protons tirent les électrons vers le noyau. L'ÉLECTRONÉGATIVITÉ est la force avec laquelle le noyau d’un atome attire les électrons impliqués dans une liaison chimique, autrement dit les électrons situés sur la couche de valence. Plus l'électronégativité est grande, plus il est facile pour l’atome de s’approprier des électrons des atomes voisins. 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, alors que cette tendance est plus faible pour les éléments à gauche. 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. Les éléments ayant la plus forte électronégativité se trouvent dans la partie supérieure droite du tableau. Les non-métaux ont une importante électronégativité. Ils ont tendance à attirer les électrons des autres atomes. Tandis que les métaux ont tendance à perdre facilement des électrons. Attention, les gaz inertes n'ont aucune électronégativité. Comme leur dernière couche électronique est complète, ils ne cherchent pas à attirer d’autres électrons. Un atome qui perd ou qui gagne des électrons est appelé un ION. L'ÉNERGIE D’IONISATION représente donc l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. Plus elle est grande, plus il est difficile d’arracher un électron à cet atome. De manière générale, 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. À l'opposé, les atomes situés à gauche dans le tableau périodique exercent une force plus faible sur les électrons, car les électrons sont plus loin du noyau et qu'un plus petit nombre de protons est présent dans le noyau. De manière générale, 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. À l’exception de l’hydrogène, les éléments du côté gauche du tableau périodique sont des MÉTAUX. À température ambiante, les métaux sont solides, à l’exception du mercure, qui est liquide. Les métaux ont un aspect brillant et sont de bons conducteurs de chaleur et d’électricité. Le triangle supérieur droit est celui des NON MÉTAUX. carbone (6) azote (7) oxygène (8) phosphore (15) soufre (16) sélénium (34). À température ambiante, ils peuvent être solides, liquides ou gazeux. Ce sont des isolants électriques alors que tous les métaux conduisent l'électricité. Avec l’hydrogène, ce sont les principaux éléments chimiques nécessaires au vivant : CHONPS Entre ces deux groupes s'intercale les MÉTALLOÏDES. bore (5) silicium (14) germanium (32) arsenic (33) antimoine (51) tellure (52) astate (85). Ils se comportent un peu comme des métaux et un peu autrement. Il conduit l'électricité, mais pas très bien. Ce sont des semi-conducteurs, que l’on retrouve dans les circuits imprimés. Le fait qu’il s’agisse d'une diagonale viole le principe qui veut que les éléments d'une colonne partagent des caractéristiques communes. Mais il s'agit là d'une règle générale, et la chimie est bien plus complexe, et aucune règle n'est parfaitement intangible. 4 familles importantes portent des noms. La première famille est celle des MÉTAUX ALCALINS, situées dans la première colonne. Lithium (3), Sodium (11), Potassium (19), Rubidium (37), Césium (55) et Francium (87). Cette famille porte ce nom, car lorsqu’un de ses éléments est en contact avec de l’eau, la solution formée est basique. Le terme alcalin est un synonyme de basique. En conséquence, les métaux alcalins réagissent fortement avec l’eau en formant une réaction qui dégage de l'hydrogène. Pour cette raison, à l’état pur, on doit les conserver dans l’huile. Ce sont des solides mous. Ils peuvent se couper au couteau. Ils ont 1 électron de valence. Pour cette raison, on ne les trouve jamais seuls dans la nature : ils sont toujours liés à d’autres éléments. Ils sont de très bons conducteurs d’électricité et de chaleur. La deuxième colonne regroupe la famille des MÉTAUX ALCALINO-TERREUX. béryllium (4), Magnésium (12), Calcium (20), Strontium (38), Baryum (56) radium (88). Cette famille porte le nom des alcalino-terreux pour deux raisons. Premièrement, ils forment des bases lorsqu’ils sont en solution dans l’eau (alcalino). Deuxièmement, on les retrouve dans la composition de nombreuses roches (terreux). Ils sont très nombreux dans la croûte terrestre. Ce sont des solides mous, mais plus durs que les métaux alcalins. Comme ils ont 2 électrons de valence, ils sont réactifs, mais leur réactivité est plus faible que celle des alcalins. Ils sont surtout réactifs avec les halogènes, les éléments de la 17e colonne. Ils réagissent avec l’eau pour former des bases. Ce sont de bons conducteurs d’électricité et de chaleur. L’avant dernière colonne, la numéro 17 est celle des HALOGÈNES. fluor (9), chlore (17), brome (35), iode (53). Sous forme de gaz, ce sont tous des éléments très colorés. Halogène vient du grec hals gennân, qui signifie sel. Comme ils ont 7 électrons de valence, les halogènes sont extrêmement réactifs et forment habituellement des sels avec les alcalins ou les alcalino-terreux avec lesquels ils réagissent. Sous forme de gaz, ils réagissent avec l'hydrogène pour former des acides. Comme ils sont toxiques et bactéricides, on les utilise fréquemment dans les produits désinfectants. Enfin, la 18e et dernière colonne est celle des GAZ INERTES. hélium (2), Neon (10), argon (18), krypton (36), xenon (54), radon (86). On les nomme ainsi car ce sont tous des gaz à température ambiante, et ils ne réagissent pas avec d’autres éléments. On les appelle aussi gaz rares car ils sont relativement rares dans l’atmosphère terrestre. Les gaz inertes ont tous leur couche de valence complète. L’hélium a 2 électrons de valence, tandis que le néon, l’argon, le krypton et le xénon ont 8 électrons de valence. A température ambiante, ce sont tous des gaz incolores. Cependant, ils produisent une lumière colorée lorsqu’ils sont soumis à une tension électrique à basse pression. C’est pourquoi il sont utilisés dans les enseignes lumineuses. Les éléments des familles 3 à 12 sont connus sous le nom de METAUX DE TRANSITION. Ils ont en général une forte densité, une température de fusion et de vaporisation élevée. Ils possèdent de nombreux états d'oxydation en réagissant avec l’oxygène. Ce sont également de bons catalyseurs. Ils accélèrent ou favorisent les réactions chimiques sans être consommée dans le processus. Au bas du tableau périodique, on retrouve deux rangées. Ce sont les lanthanides et les actinides. Les lanthanides (éléments 58 à 71) font partie de la période 6. Les actinides (éléments 90 à 103) font partie de la période 7. Les lanthanides sont quinze éléments métalliques qui ont un numéro atomique entre 57 et 71. Avec le scandium et l’yttrium, ils forment le groupe des TERRES RARES. Les lanthanides existent naturellement sur Terre. Les actinides sont bien différents. Ils sont radioactifs et certains ne se trouvent pas dans la nature. Au delà du 92, les éléments sont créés en laboratoire. Voilà, vous en savez un peu plus sur l’organisation du tableau périodique. Personnellement, je suis fasciné par ce tableau. Je trouve que l'organisation des éléments entre-eux est merveilleuse, et ce tableau représente à la fois la parfaite fusion de la physique et de la chimie, mais également le génie de l’esprit humain pour comprendre la nature.