TABLEAU PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS: HISTOIRE, STRUCTURE, ÉLÉMENTS - CHIMIE

Le tableau périodique des éléments est un outil qui permet de consulter les propriétés chimiques des 118 éléments connus à ce jour. Il est essentiel pour effectuer des calculs stœchiométriques, prédire les propriétés physiques d'un élément, les classer et trouver 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.

A qui un tel cœur doit-il en chimie? Au scientifique Dmitri Mendeleev, qui en 1869 (il y a près de 150 ans) a publié, après une décennie d'études théoriques et d'expériences, le premier tableau périodique pour tenter d'organiser les 62 éléments connus à cette époque.

Pour ce faire, Mendeleev s'est appuyé sur les propriétés chimiques, tandis qu'en parallèle Lothar Meyer a publié un autre tableau périodique organisé en fonction des propriétés physiques des éléments.

Au départ, le tableau contenait des «espaces vides» dont les éléments n'étaient pas connus à l'époque. Cependant, Mendeleïev a pu prédire plusieurs de ses propriétés avec une précision appréciable. Certains de ces éléments étaient: le germanium (qu'il appelait eka-silicium) et le gallium (eka-aluminium).

Les premiers tableaux périodiques classaient les éléments selon leurs masses atomiques. Cet ordre a révélé une certaine périodicité (répétition et similitude) dans les propriétés chimiques des éléments; cependant, les éléments de transition n'étaient pas d'accord avec cet ordre, pas plus que les gaz rares.

Pour cette raison, il était nécessaire de commander les éléments en considérant le numéro atomique (nombre de protons), au lieu de la masse atomique. De là, avec le travail acharné et les contributions de nombreux auteurs, le tableau périodique de Mendeleev a été affiné 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 de la manière dont on les appelait depuis le Moyen Âge.

Les Grecs de l'Antiquité croyaient que la planète que nous habitons était composée des quatre éléments fondamentaux: le feu, la terre, l'eau et l'air.

D'autre part, dans la Chine ancienne, le nombre d'éléments était de cinq et, contrairement aux Grecs, ceux-ci excluaient l'air et comprenaient 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 ultérieurs ont été enregistrés.

Il convient de préciser 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 (ancêtres des chimistes d'aujourd'hui) ont donné des noms aux éléments en relation avec les constellations, leurs découvreurs et les lieux où ils ont été découverts.

En 1808, Dalton proposa une série de dessins (symboles) pour représenter les éléments. Plus tard, ce système de notation a été remplacé par celui de Jhon Berzelius (utilisé à ce jour), car le modèle de Dalton est devenu plus compliqué à mesure que de nouveaux éléments sont apparus.

Évolution du régime

Les premières tentatives de création d'une carte organisant les informations sur les éléments chimiques ont eu lieu au XIXe siècle avec les Triades Döbereiner (1817).

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

Vis tellurique de Chancourtois (1862)

Alexandré-Émile Béguyer de Chancourtois a conçu une hélice en papier montrant un graphique de spirales (vis tellurique).

Dans ce système, les éléments sont classés par ordre croissant par rapport à leur poids atomique. Les éléments similaires sont alignés verticalement.

Octaves de Newlands (1865)

Poursuivant les travaux de Döbereiner, le britannique John Alexander Reina Newlands a organisé les éléments chimiques par ordre croissant en ce qui concerne les poids atomiques, notant que tous les sept éléments avaient des similitudes dans leurs propriétés (l'hydrogène n'est pas inclus).

Table de Mendeleïev (1869)

Mendeleev a arrangé les éléments chimiques par ordre croissant par rapport au poids atomique, plaçant dans la même colonne ceux dont les propriétés étaient similaires. Il a laissé des lacunes dans son modèle du tableau périodique en anticipant l'apparition de nouveaux éléments dans le futur (en plus de prédire les propriétés qu'il devrait avoir).

Les gaz rares n'apparaissent pas dans le tableau de Mendeleev, car ils n'avaient pas encore été découverts. De plus, Mendeleiv n'a pas considéré l'hydrogène.

Tableau périodique de Moseley (tableau périodique actuel) - 1913

Henry Gwyn Jeffreys Moseley a proposé d'ordonner 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 disposés dans l'ordre de leurs numéros atomiques, leurs propriétés physiques et chimiques montrent 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 voir que le pastel du tableau périodique a plusieurs couleurs. Chaque couleur associe des éléments aux propriétés chimiques similaires. Il y a des colonnes orange, jaunes, bleues, violettes; carrés verts et une diagonale vert pomme.

Notez que les cellules des colonnes du milieu sont de couleur grisâtre, donc tous ces éléments doivent avoir quelque chose en commun, à savoir qu'il s'agit de métaux de transition avec des orbitales d à moitié pleines.

De la même manière, les éléments des carrés violets, bien qu'ils passent de substances gazeuses, d'un liquide rougeâtre à solide noir-violet (iode) et gris argenté (astatine), ce sont leurs propriétés chimiques qui en font des congénères. Ces propriétés sont régies par les structures électroniques de ses atomes.

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

Périodes

Les éléments sont disposés en rangées ou périodes en fonction du niveau d'énergie de leurs orbitales. Avant la période 4, lorsque les éléments se succédaient dans un ordre croissant de masse atomique, on a constaté que pour huit d'entre eux, les propriétés chimiques se répétaient à nouveau (loi des octaves de John Newlands).

Les métaux de transition ont été coulés avec d'autres éléments non métalliques, tels que le soufre et le phosphore. Pour cette raison, l'entrée de la physique quantique et des configurations électroniques était vitale pour la compréhension des tableaux périodiques modernes.

Les orbitales d'une couche d'énergie se remplissent d'électrons (et des noyaux de protons et de neutrons) lorsqu'elle se déplace à travers une période. Cette couche d'énergie va de pair avec la taille ou le rayon atomique; par conséquent, les éléments des périodes supérieures sont plus petits que ceux ci-dessous.

H et He sont dans le premier niveau d'énergie (période); la première rangée de carrés grisâtres, dans la quatrième période; et la rangée de carrés orange, en sixième période. Notez que, bien que ce dernier semble être dans la supposée neuvième période, il appartient en fait à la sixième, juste après la boîte jaune pour Ba.

Groupes

En passant par une période, on constate que la masse, le nombre de protons et d'électrons augmentent. Dans la même colonne ou 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 groupe, H a un seul électron dans l'orbitale 1s ¹, tout comme Li (2s ¹), sodium (3s ¹), potassium (4s ¹) et ainsi de suite jusqu'au francium (7s ¹). Ce chiffre 1 indique que ces éléments ont à peine un électron de valence, et appartiennent donc au groupe 1 (IA). Chaque article est à des périodes différentes.

Sans compter l'hydrogène en boîte verte, les éléments en dessous sont en boîte orange et sont appelés métaux alcalins. Une autre case à droite dans n'importe quelle période, est le groupe ou la colonne 2; c'est-à-dire que ses éléments ont deux électrons de valence.

Mais en se déplaçant d'un pas plus loin vers la droite, sans la connaissance des orbitales d, on arrive au groupe bore (B) ou au groupe 13 (IIIA); au lieu du groupe 3 (IIIB) ou du scandium (Sc). Compte tenu du remplissage des orbitales d, on commence à passer par les périodes des carrés grisâtres: les métaux de transition.

Nombres de protons vs électrons de valence

Lors de l'étude du tableau périodique, une confusion peut survenir entre le numéro atomique Z ou le nombre de protons totaux dans le noyau et le nombre 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, ce ne pourrait pas être un atome de charge neutre).

Mais, de ces six électrons, quatre sont de valence. Pour cette raison, sa configuration électronique est 2s ² 2p ². désigne les deux électrons 1s ² de la coque fermée, et théoriquement ils ne participent pas à la formation des liaisons chimiques.

En outre, parce que le carbone a quatre électrons de valence, il est "commodément" situé dans le groupe 14 (IVA) du tableau périodique.

Les éléments sous carbone (Si, Ge, Sn, Pb et Fl) ont des numéros atomiques (et des masses atomiques) plus élevés; mais ils ont tous en commun les quatre électrons de valence. Ceci est essentiel pour comprendre pourquoi un article appartient à un groupe et pas à un autre.

Éléments du tableau périodique

Bloc s

Comme il vient d'être expliqué, les groupes 1 et 2 sont caractérisés en ce qu'ils ont un ou deux électrons dans s orbitales. Ces orbitales sont de géométrie sphérique, et à mesure que l'on descend à travers l'un de ces groupes, les éléments acquièrent des couches qui augmentent la taille de leurs atomes.

Parce qu'ils présentent de fortes tendances dans leurs propriétés chimiques et leurs modes de réaction, ces éléments sont organisés comme le bloc s. 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 hélium se trouve dans le coin supérieur droit du tableau, sa configuration électronique est 1s ² et appartient donc à ce bloc.

Bloquer p

Contrairement au bloc s, les éléments de ce bloc ont des orbitales s complètement remplies, tandis que leurs orbitales p continuent à être remplies d'électrons. Les configurations électroniques des éléments appartenant à ce bloc sont du type ns ² np ^1-6 (les p orbitales peuvent avoir un ou jusqu'à six électrons à remplir).

Alors, où se trouve ce bloc dans le tableau périodique? A droite: les carrés verts, violets et bleus; c'est-à-dire des éléments non métalliques et des métaux lourds, tels que le bismuth (Bi) et le plomb (Pb).

En partant du bore, avec une configuration électronique ns ² np ¹, le carbone à sa droite ajoute un autre électron: 2s ² 2p ². Ensuite, les configurations électroniques des autres éléments de la période 2 du bloc p sont: 2s ² 2p ³ (azote), 2s ² 2p ⁴ (oxygène), 2s ² 2p ⁵ (fluor) et 2s ² 2p ⁶ (néon).

Si vous descendez aux périodes inférieures, vous aurez le niveau d'énergie 3: 3s ² 3p ^1-6, et ainsi de suite jusqu'à la fin du bloc p.

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

Éléments représentatifs

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

Leurs groupes se distinguaient 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, y compris les métaux de transition.

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

Métaux de transition

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

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

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

Métaux de transition internes

A partir de la période 6 du tableau périodique, les orbitales f deviennent disponibles énergétiquement. Ceux-ci doivent être remplis en premier que les orbitales d; et donc ses éléments sont généralement placés à part pour ne pas rendre la table trop longue.

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

Si ces groupes sont ajoutés au tableau périodique, il y en aura 32 au total (18 + 14) et il y aura une version «longue»:

Source: Par Sandbh, de Wikimedia Commons

La ligne rose clair correspond aux lanthanoïdes, tandis que la ligne rose foncé correspond aux actinoïdes. Le lanthane, La avec Z = 57, l'actinium, Ac avec Z = 89 et le bloc f entier appartiennent au même groupe que le scandium. Parce que? Parce que le scandium a une orbitale nd ¹, qui est présente dans le reste des lanthanoïdes et des actinoïdes.

La et Ac ont des configurations de valence 5d ¹ 6s ² et 6d ¹ 7s ². Lorsque vous vous déplacez vers la droite sur les deux lignes, les orbitales 4f et 5f commencent à se remplir. Une fois rempli, vous arrivez aux éléments lutetium, 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 sous sa forme allongée. Pour le moment, la grande majorité des éléments mentionnés sont des métaux.

À température ambiante, tous les métaux sont des substances solides (à l'exception du mercure, qui est liquide) de couleur gris argenté (à l'exception du cuivre et de l'or). En outre, ils sont généralement durs et brillants; bien que ceux des blocs soient souples et fragiles. Ces éléments se caractérisent par leur facilité à perdre des électrons et à former des cations M ⁺.

Dans le cas des lanthanoïdes, ils perdent les trois électrons 5d ¹ 6s ² pour devenir des cations trivalents M ³⁺ (comme La ³⁺). Le cérium, pour sa part, est capable de perdre quatre électrons (Ce ⁴⁺).

D'autre part, les éléments non métalliques constituent la moindre partie du tableau périodique. 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 celui-ci, puisque la descente vers les périodes inférieures augmente le caractère métallique (Bi, Pb, Po).

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

Familles métalliques

Au sein des métaux, il existe une classification interne pour les différencier les uns des autres:

-Les métaux du groupe 1 sont alcalins

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

-Famille de scandium du groupe 3 (IIIB). Cette famille est composée de scandium, chef de groupe, d'yttrium Y, de lanthane, d'actinium et de tous les lanthanoïdes et actinoïdes.

-Groupe 4 (IVB), famille du titane: Ti, Zr (zirconium), Hf (hafnium) et Rf (rutherfordium). 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).

Métalloïdes

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

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

-B: bore

-Silicium: Oui

-Ge: germanium

-Comme: arsenic

-Sb: antimoine

-Te: tellure

-À: astatine

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

Des gaz

Dans les conditions terrestres, les éléments gazeux sont ces non-métaux légers, tels que l'azote, l'oxygène et le fluor. De plus, le chlore, l'hydrogène et les gaz rares entrent dans cette classification. De tous, 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 se trouvent dans le groupe 18 du tableau périodique et sont:

-Helio, Il

-Néon, Ne

-Argon, Ar

-krypton, Kr

-Xénon, Xe

-Radon, Rn

-Et le plus récent de tous, l'oganeson de gaz noble synthétique, Og.

Tous les gaz rares ont en commun la configuration de valence ns ² np ⁶; c'est-à-dire qu'ils ont l'octet de valence entier.

États d'agrégation des éléments à d'autres températures

Les éléments sont à l'état solide, liquide ou gazeux en fonction de la température et de la force de leurs interactions. Si la température de la Terre se refroidissait à environ zéro absolu (0K), alors tous les éléments gèleraient; sauf l'hélium, qui se condenserait.

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

A l'autre extrême, si la température était d'environ 6 000 K, «tous» les éléments seraient à l'état gazeux. Dans ces conditions, vous pouviez littéralement voir des nuages d'or, d'argent, de plomb et d'autres métaux.

Utilisations et applications

Le tableau périodique en lui-même a toujours été et sera toujours un outil de consultation des symboles, masses atomiques, structures et autres propriétés des éléments. Il est extrêmement utile lors de l'exécution de calculs stœchiométriques, qui sont à l'ordre du jour dans de nombreuses tâches à l'intérieur et à l'extérieur du laboratoire.

Non seulement cela, mais aussi le tableau périodique vous permet de comparer les éléments du même groupe ou période. Ainsi, on peut prédire à quoi ressembleront certains composés des éléments.

Prédiction des formules d'oxyde

Par exemple, pour les oxydes de métaux alcalins, comme ils ont un seul électron de valence, 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, de 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 la formule générale M ₂ O _n, où n est égal au numéro de groupe (si l'élément est du bloc p, calculer n-10). Ainsi, le carbone, qui appartient au groupe 14, forme du CO ₂ (C ₂ O _4/2); le soufre, du groupe 16, SO ₃ (S ₂ O _6/2); et l'azote, du groupe 15, N ₂ O ₅.

Cependant, cela ne s'applique pas aux métaux de transition. En effet, le fer, même s'il appartient au groupe 8, ne peut pas perdre 8 électrons mais 2 ou 3. Par conséquent, au lieu de mémoriser les formules, il est plus important de faire attention aux valences de chaque élément.

Valences des éléments

Les tableaux périodiques (certains) montrent les valences possibles pour chaque élément. Sachant cela, la nomenclature d'un composé et sa formule chimique peuvent être estimées à l'avance. Les valences, comme mentionné ci-dessus, sont liées au numéro de groupe; bien qu'il ne s'applique pas à tous les groupes.

Les valences dépendent davantage de la structure électronique des atomes et des électrons qu'ils peuvent réellement gagner ou perdre.

En connaissant le nombre d'électrons de valence, vous pouvez également commencer par la structure de Lewis d'un composé à partir de ces informations. Le tableau périodique permet donc aux étudiants et aux professionnels d'esquisser des structures et de faire place à un sondage des géométries et des structures moléculaires possibles.

Tableaux périodiques numériques

Aujourd'hui, la technologie a permis aux tableaux périodiques d'être plus polyvalents et de fournir plus d'informations accessibles à tous. Plusieurs d'entre eux apportent des illustrations frappantes de chaque élément, ainsi qu'un bref résumé de ses principales utilisations.

La façon dont vous interagissez avec eux accélère leur compréhension et leur étude. Le tableau périodique doit être un outil agréable à l'œil, facile à explorer et la méthode la plus efficace pour connaître ses éléments chimiques est de le parcourir de périodes en groupes.

Importance du tableau périodique

Aujourd'hui, le tableau périodique est l'outil d'organisation le plus important en chimie en raison des relations détaillées de ses éléments. Son utilisation est essentielle tant pour les étudiants et les enseignants que pour les chercheurs et de nombreux professionnels dédiés à la branche de la chimie et de l'ingénierie.

En regardant simplement le tableau périodique, vous obtenez rapidement et efficacement une énorme quantité et des informations, 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 non-métal.

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

Ainsi, en localisant ces éléments dans le tableau périodique, leur tendance à la conductivité électrique peut être instantanément conclue.

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