ìLaclassificationpériodiquedeséléments

I–RèglesdeconstructiondelaclassificationNotationdesélémentschimiquesOrganisationenpériodes,groupesetblocsLesprincipalesfamillesd’éléments

II–EvolutiondespropriétésdesélémentsRayonatomiqueEnergied’ionisationAffinitéélectroniqueElectronégativitéDegréd’oxydation

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ìRèglesdeconstruction

Notationdesélémentschimiques

XAZ

Nombredemasse

Nombredeprotons

1Atome=1noyau(Nneutrons+Zprotons)+Zélectrons

Symboledel’élément

Isotopes:ensembledesatomesdontlesnoyauxcontiennentlemêmenombredeprotonsmaispaslemêmenombredeneutrons

A=Z+N

Elément:ensembledesatomesayantlemêmenuméroatomiqueZ.

Massed’unélément

Masseatomiqued’unélément:MoyennedesmassesMidesdifférentsisotopesipondéréesparleurabondancenaturelleCi:

€

M = CiMii∑

Exemple:masseducarbone:2isotopesstables:12C(98,89%)et13C(1,11%)

€

M =98,89100

×12 +1,11100

×13 =12,01 g/mol

Laclassificationpériodique

ClassificationdeMendeleïev(1869):tableauregroupantles66élémentsconnusàl'époque,rangésdansl'ordredesmassesatomiquescroissantes,detellesortequelesélémentsprésentantdesanalogiesdepropriétéssetrouventdansunemêmecolonne.Letableaupériodiqueasubitdenombreuxréajustementsavantdeprendrelaformequenousluiconnaissonsaujourd'hui.Danslaclassificationpériodiquemoderne,lesatomessontrangésparnumérosatomiquescroissants,etnonenfonctiondeleurmasse(carlamasseatomiquevarieaveclesisotopes).Laclassificationactuellecomporte118éléments.Au-delàdeZ=110,touslesisotopesd’unélémentsedécomposentrapidementparvoieradioactive.

5

Uneconstructionparblocs

Laclassificationpériodique,baséesurl'ordredesnumérosatomiquescroissants,estorganiséeenfonctiondelaconfigurationélectroniquedesatomes(cf.règlesdeKleschkovski).

Règlesdeconstruction:Onregroupedansunemêmeligne(période)lesélémentsdontlacouchedevalenceestcaractériséeparlamêmevaleurden(couchesK,L,M,N…),etparcolonne(familleougroupe)lesélémentsdontlaconfigurationélectroniquedelacouchedevalenceestsemblable(ànprès).

Ondiviseainsiletableaupériodiqueenblocscorrespondantautypedeladernièresous-couchedevalenceoccupée.Laclassificationpériodiquefaitapparaître4blocscorrespondantrespectivementauremplissagedessous-couchess,p,detf.

Uneconstructionparblocs

Uun Uuu Uub

Li

H

Be

Na Mg

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt 114 116 118

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lrartificiel

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

18

Transparent 2.f : classificationpériodique moderne des éléments

(blocs s, p, d et f)Blocss,p,detf

K(n=1)

L(n=2)

M(n=3)

N(n=4)

O(n=5)

P(n=6)

Q(n=7)

Lesfamilleschimiques

8

LesgrandesfamilleschimiquesLesalcalins(colonne1):ns1Lesalcalino-terreux(colonne2):ns2Leshalogènes(colonne17):ns2np5leschalcogènes(colonne16):ns2np4Lesgazrares(ouinertesounobles)(colonne18):ns2np6àgazmonoatomiques,carlaconfigurationélectroniquedeleurcouchedevalenceestcomplète.Ilssontdoncchimiquementinertes.Lesélémentsdetransition(colonnes3à12):ns2(n-1)dxavec1≤x≤10etn≥4Lesélémentsdetransitioninterneouprofonde:ns2(n-1)d1(n-2)fyavec1≤y≤14etn≥6à4f(terresraresoulanthanides);5f(actinides)

Laclassificationpériodiqueseprésentesouslaformed'untableaude18colonnes(enréalité32comptetenudespériodes6et7).Chaquecolonneconstitueunefamillechimique.Lesélémentsd’unemêmefamillepossèdentunemêmeconfigurationélectroniquedevalence(ànprès).

Lesfamilleschimiques

Uun Uuu Uub

Li

H

Be

Na Mg

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Al Si P S Cl Ar

B C N O F Ne

He

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt 114 116 118

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

artificiel

Transparent 2.g : classificationpériodique moderne des éléments

(familles chimiques)K

L

M

N

O

P

Q

LANTHANIDES ou TERRES RARES

ACTINIDES

METAUX DE TRANSITION

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

18ALCALINS

ALCALINO-

TERREUX

GAZ RARESHALOGENES

CHALCOGENES

Lanthanidesetactinides

Lanthanides(6èmepériode,coucheP)Règlesderemplissagedessous-couches

Actinides(7èmepériode,coucheP)RèglesderemplissageidentiquesàlacouchePmaispériodeincomplète

Métauxetnonmétaux

Lesmétaux(partiesgaucheetcentraledutableau):deloinlesplusnombreux,ilscontiennentpeud'électronssetpdansleurcouchedevalence.à3famillesimportantes: alcalins(colonne1),alcalino-terreux(colonne2),élémentsdetransition(colonnes3à12)LesmétauxonttendanceàperdredesélectronsdanslesréactionschimiquespouratteindrelaconfigurationélectroniquedugazrarequilesprécèdeàFormationdecations(Ex:Na[1s22s22p63s1]àNa+)à Existentnaturellementsousformedeminerai(lescationsmétalliquess'associantà

d'autresélémentspourformerdesroches)

Lesnon-métaux(partiedroitedutableau):élémentsayantatteintsinondépasselaconfigurationns2np2à2famillesimportantes: leshalogènes(colonne17)etleschalcogènes(colonne16)Lesnon-métauxonttendanceàcapterdesélectronssupplémentairesdanslesréactionschimiquespouratteindrelaconfigurationélectroniquedugazrarequilessuitàFormationd'anions(Ex:Cl[3s23p5]àCl–)

MétauxetnonmétauxRègledeSanderson:soitunélémentdontlaconfigurationélectroniquedelacouchedevalenceestnsxnpy.Ils'agitd'unmétalsix+y≤n

LimitedeSanderson

Exceptions!

ìEvolutiondespropriétésdeséléments

Rayonatomique Energied’ionisation

Affinitéélectronique Electronégativité

Rayondesatomes

14

Lerayond'unatomecorrespondàladistancemoyenneentrelenoyauetlafrontièredunuageélectroniquequil'entoure.Ildépenddel'extensionspatialedesorbitalesexternes,delachargenucléaire,etdel’écranélectrostatique(répulsioncompensantunepartiedel’attractionnucléaire)induitparlesélectronsdescouchesinternessurlesélectronsdescouchesexternes.Ilyaplusieursdéfinitionsdurayonatomique.Savaleurpeutêtreobtenuepardesmesuresexpérimentalesoucalculéeàpartirdemodèlesthéoriques.

AA

RC(A)=d(AA)/2

Longueurdeliaisond

LerayoncovalentIlcorrespondàlamoitiédeladistanceentredeuxnoyauxatomiquesidentiquesliésparuneliaisoncovalente.

Rayondesatomes

15

Lelongd’unepériode,lesélectronsexternessetrouventtoussurunemêmecouchedenombrequantiquen.Ilssubissentlamêmerépulsionélectrostatiqueprovenantdesélectronsinternes(dontlenombreresteconstanttoutlelongdelapériode),alorsquelachargenucléaireaugmente.

Z

n=1(K)

n=2(L)

ÉcrandesélectronsdelacoucheKsurlesélectronsdelacoucheL(constantlelongdelapériode)

Ilyadoncglobalementuneaugmentationdel'attractionexercéesurlesélectronsexternesetuneréductiondelatailledel'atomelorsqu’onparcoursunepériodedegaucheàdroite.

Attractionnucléaire.AugmenteavecZlelongdelapériode.

Exemple:évolutiondurayonlelongdelacoucheL(n=2)

Rayondesatomes

16

Dansunecolonne,lepassaged'unélémentàceluisituéjusteaudessoussetraduitparl'augmentationdunombrequantiqueprincipaldelacoucheexterne.Cettecoucheexternedevientdeplusenplusdiffuseaufuretàmesurequel'ondescenddanslacolonne.

Ilyadoncglobalementuneaugmentationdelatailledel'atomelorsqu’onparcoursunecolonnedehautenbas.

Z LacoucheLestplusexternequelacoucheK.

Exemple:évolutiondeRdelacoucheK(n=1)àlacoucheL(n=2)

Z

Rayondesatomes

17

Rayondesatomes

18

AA AA

Distanced’équilibreReq

RayondevanderWaalsRvdW(A)=Req/2

LerayondeVanderWaalsIlcorrespondàlamoitiédeladistanceminimale(Req)àlaquellepeuvents’approcherdeuxnoyauxdedeuxatomesidentiquesquandilsnesontpasengagésdansuneliaisonchimique.

LerayondevanderWaalsesttoujourssupérieuraurayoncovalent

Rayondesatomes

19

AtomesneutresetionsLescationssontbeaucouppluspetitsquelesatomesneutrescorrespondants.Inversement,lesanionssontbeaucoupplusvolumineuxExempledulithiumLi:RvdW=1,23ÅLi+:RvdW=0,68ÅLi2+:RvdW=0,13Å

RayonscovalentsetrayonsdevanderWaalspourquelquesatomes

Energied’ionisation

20

L'énergied'ionisationestl'énergieminimalequ'ilfautfourniràunatome(ouàunion)pourarracherl'électronlemoinslié.Pourl'atome,lesénergiesd'ionisationssuccessivessontdéfiniesparrapportauxréactionssuivantes:Premièreionisation: AàA++e– EI1=E(A+)–E(A)Deuxièmeionisation: A+àA2++e– EI2=E(A2+)–E(A+)Troisièmeionisation: A2+àA3++e– EI3=E(A3+)–E(A2+)

Ilfauttoujoursfournirdel'énergieàunatomepourl'ioniser,l'énergied'ionisationestdonctoujourspositive.

Energied’ionisation

21

Exemple:Lecarboneionisation 1 2 3 4 5 6 EI(eV) 11,26 24,38 47,89 64,49 392,07 489,98

Onremarquequ’unchangementd'ordredegrandeurseproduitàpartirdelacinquièmeionisation:lesquatrepremiersélectronsappartiennentàlacouche2périphérique,lecinquièmeetlesixièmesontdesélectronsdecoeur.Ilsappartiennentàlacouche1internetrèsliéeaunoyauetsontdoncbeaucoupplusdifficilesàarracher.

Aufuretàmesurequel'onarrachelesélectrons,l'élémentsechargedeplusenpluspositivement.Ilattiredoncdeplusenplussesélectrons.Pourunélémentdonné,onconstatedoncuneaugmentationdesénergiesd'ionisationsavecledegréd'ionisation:

EI1<EI2<EI3…

Energied’ionisation

22

EI1 EI2 EI3 EI4 EI5 EI6 EI7 Na 495.8 4562.4* — — — — — Mg 737.7 1450.7 7732.7 — — — — Al 577.5 1816.7 2744.8 11577.5 — — — Si 786.5 1577.1 3231.6 4355.5 16090.6 — — P 1011.8 1907.5 2914.1 4963.6 6274.0 21267.4 — S 999.6 2251.8 3357 4556.2 7004.3 8495.8 27107.4 Cl 1251.2 2297.7 3822 5158.6 6540 9362 11018.2 Ar 1520.6 2665.9 3931 5771 7238 8781.0 11995.3*Electronarrachéd’unecoucheinterne

EnergiesIonisationsuccessives(enkJ/mol)desélémentsdelatroisièmepériodedutableaupériodique

Energied’ionisation

23

L’énergiedepremièreionisationEI1variedanslesensopposéaurayonatomique:pluslenuageélectroniqueestétendu,plusilestfaciled'arracherunélectrondelacoucheexternequisetrouvemoinsliéparl'attractionnucléaire,etparconséquent,plusl'énergienécessaireestfaible.Ainsi,l'énergied'ionisationaugmentedansl'ensemblesuivantlespériodesdelaclassification,etdiminuesuivantlescolonnes.

Energied’ionisation

24

L'augmentationdel'énergied'ionisation,degaucheàdroitedutableau,estrelativementrégulièredansunmêmegroupe(blocss,poud).

Desirrégularitésdansl’évolutiondel’énergied’ionisationsontcependantobservéeslorsdestransitionsentreblocs.

Affinitéélectronique

25

L'affinitéélectroniquepermetdecaractériserlephénomèneinversedel'ionisation,c'est-à-direl'aptituded'unatomeneutreàcapturerunélectronsupplémentaire,suivantlaréaction:

A+e–àA– AE=E(A–)–E(A) convention1Danslapratique,l'affinitéélectroniqueestsouventdéfinieparrapportàlaréactioninverse,enconsidérantl'ionisationdel'anion:

A–àA+e– AE=E(A)–E(A–) convention2Contrairementàl'énergied'ionisationquiesttoujourspositive,l'affinitéélectroniquepeutchangerdesigne.Enutilisantlaconvention2,sil'affinitéélectroniqueestpositive,alorsl'anionestplusstablequel'atomeneutre:AE>0siE(A)>E(A–).Plusl'affinitéélectroniqueestélevée,plusl'atomeatendanceàcapterdesélectrons.

Affinitéélectronique

26

Lavariationdel'affinitéélectroniqueestglobalementsimilaireàcelledel'énergied'ionisation.Saufexceptions,l'affinitéélectroniqueaugmentedegaucheàdroitelelongdespériodesdelaclassification,etdiminuesuivantlescolonnes.Lechlorepossèdel’affinitéélectroniquelaplusgrandeparmitousleséléments:Cl+e–àCl– AE=348,6kJ/mol

Affinitéélectronique

27

Danslecasdubéryliumetdumagnésiumlasous-couchensestcomplète(Be:2s2etMg:3s2),ilfaudraitfournirbeaucoupd'énergiepourajouterunélectronsurlasous-couchesupérieure,cequiinduituneaffinitéélectroniquenégative.

Lesélémentsàsous-couchedemi-pleinecommel'azote(2s22p3)oulephosphore(3s23p3)ontuneaffinitéélectroniquefaible.L'ajoutd'unélectronsupplémentairefaitperdrelastabilisationdueaudemi-remplissagedelasous-couche.

EnergiesexpriméeseneVVariationdeAE

lelongdes3premièrespériodes

Electronégativité

28

L'électronégativitécaractérisel'aptitudedesatomesàgagnerouàperdredesélectronslorsqu’ilssontengagésdansuneliaisonchimiqueavecunautreatome.Lesatomesditsélectropositifssontsusceptiblesdecéderfacilementleursélectronspériphériques.Ilsontunefaibleénergied'ionisationetunefaibleaffinitéélectronique.Cesélémentssetrouventsurlagauchedutableaupériodique.Inversement,lesatomesditsélectronégatifssontsusceptiblesd’attirerdesélectronsappartenantàdesatomesvoisinsmoinsélectronégatifs.Ilspossèdentuneénergied'ionisationetuneaffinitéélectroniqueimportantes.Cesélémentssetrouventsurladroitedutableaupériodique.Iln'yapasdedéfinitionuniquedececritèred'électronégativitéetonemploiedifférentesdéfinitionsconduisantàdifférenteséchellesd'électronégativité.Laplusutiliséeestl’échelledePauling.

Electronégativité

29

L’échelledePaulingCetteéchelles'appuiesurlesvaleursdesénergiesdeliaisonssimples.OnconsidèreladifférenceΔimpliquantl'énergiedeliaisond’unemoléculeAB,EL(AB),etlesénergiesdeliaisondesmoléculesA2etB2(notéesrespectivementEL(A2)etEL(B2)).

Δ = EL(AB)− EL A2( )EL B2( ) ≠ 0

χ B( )− χ A( ) = Δ

Cettedifférenceestattribuéeàladifférenced'électronégativitédesatomesAetB:

L'échelledePaulingnécessiteuneréférencearbitrairequiestl'électronégativitédufluor:

χ F( ) = 4L’électronégativitéestunequantitésansdimension.

Electronégativité

30

Lavariationdel’élecronégativitéestglobalementsimilaireàcelledel'énergied'ionisation.Saufexceptions,l’élecronégativitéaugmentedegaucheàdroitelelongdespériodesdelaclassification,etdiminuesuivantlescolonnes.L’élémentleplusélectronégatifestlefluorχF=4.L’élémentleplusélectropositifestleCésiumχCs=0,7.

Electronégativité

31

Electronégativitésdansl’échelledePauling

Electronégativitéetpolaritédesliaisons

32

DifférentstypesdeliaisonchimiqueentredeuxatomesAetB✓ SiχA≈χBlaliaisonestdite“covalente”:

Exemple:O2àliaisoncovalentepure,nonpolaireExemple:CH4àliaisonsC–Htrèspeupolaires

✓SiχA>>χBlaliaisonestdite“ionique”:Exemple:H–FàLiaisontrèspolaire

H––F+δ –δ Momentdipolaire

µ = (δe)xdDimensions(SI):C.m1D(Debye)=3,335.10–30C.m

d

µChargepartielleatomique

Degréd’oxydation

33

Uneréactiond'oxydoréduction(ouréactionredox)estuneréactionchimiqueaucoursdelaquelleseproduitunéchanged'électrons.L'espècechimiquequicaptelesélectronsestappelée«oxydant»;cellequilescède,«réducteur».Leréducteurs'oxyde(réactiond'oxydation),l'oxydantseréduit(réactionderéduction).L'oxydoréductionsecomposedoncdedeuxdemi-réactions:uneoxydationetuneréduction.Uneoxydationestuneperted'électrons:réducteur(1)àoxydant(1)+ne-Uneréductionestungaind'électrons:oxydant(2)+ne-àréducteur(2)Uneréactiond'oxydoréductionestla«somme»d’uneoxydationetd’uneréduction:

oxydant(2)+réducteur(1)→oxydant(1)+réducteur(2)

Degréd’oxydation

34

Commel’électronégativité,ledégréd’oxydationd’unatomeestunepropriétecaractérisantlesatomesengagésdansuncomposé.Ledegred’oxydation(DO)ounombred’oxydationd’unatomeestunechargeélectriqueformelledéterminéeaprèsrépartitiondesélectronsdevalenceentretouslesatomesducomposé.Pourunatomeouunionisolé,leDOestégalàlachargeélectriquedel’atomeoudel’ion.Exemple:CuàDO=0;Cu2+àDO=+II (lesDOsontnotésenchiffresromains)Dansunemolécule,leDOd’unatomesecalculeenconsidérantquel’atomeleplusélectronégatifengagédansuneliaisonchimiquecaptetouslesélectronsdesatomesauxquelsilestlié.LasommedesDOdesatomesestégaleàlachargetotaledelamolécule.Exemples:danslamoléculeF–H,χF>χHàDOF=–I,DOH=+I;DOF+DOH=0

Degréd’oxydation

35

Lefluorestl’élémentleplusélectronégatifdelaclassification(χF=4).Ilatendanceàcapterunélectronpourcomplétersacouchedevalence.SonDOesttoujourségalà–I,quellequesoitlamoléculedanslaquelleilestengagé.Aprèslefluor,l’élémentleplusélectronégatifdelaclassificationestl’oxygène(χO=3,5).Ilatendanceàcapterdeuxélectronspourcomplétersacouchedevalence.SonDOestégalà–II,sauflorsqu’ilestliéaufluor.DOlespluscourants:Lesalcalins(colonne1):ns1onttendanceàperdre1électronàDO=+ILesalcalino-terreux(colonne2):ns2onttendanceàperdre2électronsàDO=+IILeshalogènes(colonne17):ns2np5onttendanceàgagner1électronàDO=–Ileschalcogènes(colonne16):ns2np4onttendanceàgagner2électronsàDO=–IIDansuneréaction,lorsqu’unélémentestoxydé,sonDOaugmente.

Degréd’oxydation

36

DOmaximal:Correspondàlapertedetouslesélectronsdelacouchedevalence.L’atomeadoptelaconfigurationélectroniquedugazrarequileprécède.DOminimal:Correspondauremplissagecompletdelacouchedevalence.L’atomeadoptelaconfigurationélectroniquedugazrarequilesuit.

Exemples:quelquesDOducarbone(Cestl’atomecentral)

CH4:χC>χHàDOH=+I,DOC=–IV=DOminH3CCl:χCl>χC>χHàDOH=+I,DOCl=–I,DOC=–IIH2CO:χO>χC>χHàDOH=+I,DOO=–II,DOC=0HCOOH:χO>χC>χHàDOH=+I,DOO=–II,DOC=+IICF4:χC<χFàDOF=–I,DOC=+IV=DOmax