La classification périodique des éléments

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1 Activité La classification périodique des éléments Objectifs : Mettre en évidence des propriétés chimiques voisines pour des éléments appartenant à une même colonne donc à une même famille. Connaissances Compétences - Classification périodique : démarche historique de Mendeleiev et critères actuels de la classification. - Familles chimiques. - Utilisation du tableau périodique : prévision de la charge des ions monoatomiques. - S'approprier : extraire des informations pertinentes d un document. - Réaliser : utiliser une documentation interactive. - Analyser : organiser les informations extraites et établir des règles à partir des résultats obtenus. - Communiquer : formuler des conclusions écrites. Problématique : Comment Mendeleiev a-t-il construit le premier tableau périodique des éléments dès 1869 et pourquoi celui-ci est-il quasi-identique au tableau actuel alors qu il ne disposait d aucune des connaissances actuelles sur la structure des atomes? Exploitation: Vous devez répondre aux questions ci-après en parcourant "activement" un document informatique interactif. Vous suivrez au fur et à mesure le présent document et les instructions données dans le document informatisé. 1 / Première partie. Historique : le tableau de Mendeleïev Réaliser la première partie de l activité (démarche de Mendeleiev) pour répondre aux questions qui suivent. 1. Combien d éléments étaient connus en 1860 à l époque des travaux de Mendeleïev? Et aujourd hui? 2. D après les «idées de Mendeleiev», quels sont les deux critères qu il a utilisés pour "mettre en fiche" les éléments chimiques puis de les classer dans un tableau? 3. Reproduire la démarche de Mendeleiev pour constituer son tableau. Pour cela, vous disposez d un jeu de fiches identiques aux fiches consultables à l écran. Vous devez utiliser ce jeu de fiches «sur la table» avant de compléter le tableau à l écran. Aide : (1) Aligner toutes les cartes suivant le critère «masse atomique» (2) Créer des colonnes avec les cartes des éléments présentant des ressemblances importantes (constituer des groupes avec les cartes précédemment alignées en fonction de ces ressemblances) 4. Compléter le tableau de l activité 1 à l aide des cartes fournies. 5. Compléter le tableau-réponse «La classification périodique des éléments» en indiquant le nom, le symbole, la masse molaire et les formules des corps composés de l élément chimique. (suivre le modèle de l hydrogène). Remarque : en réalité, Mendeleïev avait inversé les lignes et les colonnes. Voir livre doc 1 p TP2 Les familles dans la classification 1

2 2 / Deuxième partie. La classification actuelle Réaliser la deuxième partie de l activité (rangement actuel des éléments dans le tableau) Compléter le tableau comparatif ci-dessous en vous appuyant sur les résultats des deux premières parties. Tableau de Mendeleïev Tableau actuel Comment sont classés les éléments sur une ligne? est la particularité des éléments d'une même colonne? 3 / Troisième partie. Mendeleïev un chimiste de génie! Réaliser la troisième partie de l activité (le génie de Mendeleiev) Pourquoi Mendeleiev n'a-t-il pas placé l'arsenic sous l'aluminium mais a laissé deux cases vides entre le zinc et l'arsenic? Quels sont les symboles et noms de ces deux éléments absents du tableau de Mendeleïev entre le zinc et l'arsenic? Quels événements ont permis à Mendeleïev, dont les travaux sont d'abord passés inaperçus, d'être finalement pris au sérieux? Quelle famille chimique était absente du tableau de Mendeleïev? Comment expliquer cette absence Quatrième partie. Quelques familles chimiques Réaliser la quatrième partie de l activité (familles chimiques et applications) Donner les noms des trois familles chimiques à connaître en classe de seconde. Pour chaque famille, donner sa position dans le tableau et les éléments chimiques qu elle comporte. b / Ecrire la structure électronique de l élément potassium (K ; Z = 19) en expliquant l exception qu elle comporte. Même question pour l élément brome (Br ; Z = 35) Nous avons vu qu au cours d une réaction chimique, l élément est conservé. La notion d élément est donc essentielle, elle a servi comme critère pour le classement. L ordre alphabétique des symboles des éléments n a pas été retenu, car le nom d un élément est un choix bien souvent sans lien avec ses propriétés chimiques. Dans la classification, les éléments sont classés par croissant. Ainsi deux isotopes sont rangés dans case. Les éléments possédant des propriétés chimiques similaires constituent une. Pour visualiser facilement cette similitude, une famille constitue une colonne de la classification périodique. Au cours d une réaction chimique, seule la couche électronique externe est modifiée. Noter et compléter : Pour des éléments de la même famille, la couche électronique externe est (identique / différente) car ils ont des propriétés chimiques analogues. 9 F, 17 Cl, 35 Br, 53 I appartiennent à la même famille appelée «halogène» 1 H, 3 Li, 10 Na forment la famille des «alcalins» 2 He, 11 Ne, 18 Ar, 54 Xe appartiennent à la famille des «gaz rares» comme 36 Kr Les premiers atomes «alcalino-terreux» sont Mg puis Ca, ils possèdent un électron de plus que les alcalins. TP2 Les familles dans la classification 2

3 Activité expérimentale TP Les familles dans la classification - CORRECTION Objectifs : Mettre en évidence des analogies dans les propriétés chimiques des éléments appartenant à une même colonne. Document 1 : Matériel Calcium (Ca), magnésium (Mg), chlorure de potassium (K + + Cl - ), iodure de potassium (K + + I-), bromure de potassium (K + + Br - ), permanganate de potassium acidifié (K+ + MnO 4 - ), cyclohexane, eau de dichlore (Cl 2 ), eau de diiode (I 2 ), eau distillée Soude (Na + + HO - ), Nitrate d argent (Ag + + NO 3 - ), phénolphtaléine, nitrate de plomb (Pb NO 3 - ) Tubes à essais Document 2 : Le protocole Les alcalino-terreux : Action de l eau sur le calcium et le magnésium : On introduit quelques gouttes de soude dans un tube à essais contenant environ 2 ml d eau et quelques gouttes de phénolphtaléine (tube témoin). On place un morceau de magnésium décapé (1 cm environ) dans un tube à essais contenant environ 2 ml d eau et quelques gouttes de phénolphtaléine. On recommence l expérience avec du calcium en poudre (1 ou 2 grains maxi car très réactif). Action de l eau sur les alcalino-terreux (colonne n 2) Phénolphtaléine HO - Mg H 2 O Ca Observations Lorsque l on introduit un morceau de fil de magnésium dans de l eau contenant de la phénolphtaléine, on observe l apparition lente d une coloration rose ; un précipité blanc et un dégagement gazeux sont à peine perceptibles. D après la classification périodique, le magnésium va perdre deux électrons pour vérifier la règle de l octet et former l ion Mg 2+. Mg + 2 H 2 O Mg OH - + H 2 Lorsque l on introduit 2 ou 3 grains de calcium dans de l eau, on observe une coloration violette et une effervescence dans le tube à essai. Le test à la phénolphtaléine nous montre qu il y a des ions OH - qui ont été créés, le test à la flamme nous montre que c est le dihydrogène qui a été dégagé lors de cette réaction. D après la classification périodique, le calcium va perdre deux électrons pour vérifier la règle de l octet et former l ion Ca 2+. Ca + 2 H 2 O Ca OH - + H 2 Conclusion : Le magnésium est juste au dessus du calcium dans la classification périodique ce qui nous permet de dire que le magnésium réagira de la même manière que le calcium, ils ont les mêmes propriétés chimiques. TP2 Les familles dans la classification 3

4 Les halogènes : Pour infos : Le dichlore Cl 2, le dibrome Br 2 et le diiode I 2 étant des composés très dangereux, on les étudie sous forme de photos. (Le dichlore Cl 2 a servi de gaz de combat pendant la 1 ère guerre mondiale ) Le dichlore est un gaz jaune-vert. Le dibrome est un liquide rouge-brun qui passe facilement sous forme gazeuse. Le diiode est un solide gris-métallique qui s évapore facilement en vapeurs violette. Les halogènes sont donc principalement sous forme gazeuse, ou peuvent facilement y passer. Mise en évidence de la solubilité des halogènes Placer environ 2 ml d eau de dichlore (jaune) dans un tube à essais, ajouter 1 ml de cyclohexane. Boucher le tube, agiter vigoureusement pendant quelques secondes, puis laisser décanter. Noter les couleurs des solutions de départ puis celle de chacune des phases (phase aqueuse et phase organique) Recommencer avec de l eau de diiode (jaune orangée). Phase organique : cyclohexane Cl 2 I 2 Phase aqueuse : eau Observations : L eau et le cyclohexane ne sont pas miscibles. La densité du cyclohexane est inférieure à celle de l eau, donc la phase organique est située au-dessus de la phase aqueuse. On observe : Eau de dichlore Eau de diiode Phase organique Jaune pâle Orange Phase aqueuse Incolore Incolore TP2 Les familles dans la classification 4

5 Dans le premier tube, le chlore s est solubilisé différemment dans l eau et dans le cyclohexane. La phase organique a pris la couleur jaune-vert caractéristique donc on en déduit que le chlore s est principalement solubilisé dans le cyclohexane. C est le même principe pour le second tube, le diiode s est solubilisé principalement dans le cyclohexane car cette phase a pris une teinte orange-marron caractéristique. Conclusion : Ces deux halogènes sont donc très solubles dans le cyclohexane, et très peu dans l eau. Mise en évidence du pouvoir réducteur des ions halogénures On place dans un tube à essais environ 2 ml de chlorure de potassium (K + + Cl - ) et on verse environ 1 ml de permanganate de potassium acidifié (K + + MnO 4 - ). On agite. Puis on verse du cyclohexane pour extraire par solvant. On recommence avec de l iodure de potassium et du bromure de potassium. Mise en évidence du pouvoir réducteur des ions halogénures MnO 4 - Cl - Cl 2 I 2 Br 2 I - Br - Observations et interprétations TP2 Les familles dans la classification 5

6 Remarque : Expérimentalement pour les ions chlorure, on observe une persistance de la coloration violette alors que l on devrait observer une phase organique (phase supérieure) jaune-verte caractéristique du dichlore (Cl 2 ). La réaction entre les ions chlorure Cl - et les ions permanganate MnO 4 - nécessite un ph <1,5 (difficile à réaliser au labo). Conclusion : Les ions halogénures réagissent de la même façon avec les ions permanganate. Formation de précipités d halogénures Dans un tube à essais, verser environ 2 ml de chlorure de potassium puis environ 1 ml de nitrate d argent. On recommence avec du bromure de potassium et de l iodure de potassium Nitrate d argent Précipité blanc qui noircit à la lumière Précipité vert anis Précipité jaune clair Cl - I - Br - Formation de précipités d halogénures Observations et interprétations Il se forme dans les trois cas des précipités : blanc avec l'ion Br -, jaunâtre avec l'ion I - et blanc qui noircit à la lumière avec l'ion Cl -. Réaction des ions plomb avec des ions halogénures Nitrate de plomb Précipité blanc Précipité jaune Précipité blanc Cl - I - Br- TP2 Les familles dans la classification 6

7 Interprétation : L eau réagit de la même manière sur le calcium et le magnésium : il se forme des ions hydroxydes (HO - ). Ces ions sont mis en évidence par la coloration pourpre de la phénolphtaléine. Calcium et magnésium font partie de la même famille : les alcalino-terreux. Le permanganate de potassium acidifié réagit de manière analogue sur les ions chlorure (Cl - ), iodure (I - ) et bromure (Br - ) : il se forme des molécules de dihalogène : dichlore (Cl 2 ), diiode (I 2 ), dibrome (Br 2 ). Le nitrate d argent et le nitrate de plomb réagissent de manière analogue sur les ions halogénures : il se forme des précipités d halogénure d argent ou d halogénure de plomb qui se distinguent seulement par leur couleur. Chlore, iode et brome font partie de la même famille. Conclusion: Au sein d une même famille (colonne), les éléments chimiques présentent des analogies de propriétés chimiques. Ces analogies sont dues à la configuration électronique de la couche externe de leurs atomes qui contient le même nombre d électrons. Sécurité Le cyclohexane est sensibilisant et nocif ne pas inhaler les vapeurs, refermer le flacon Le cyclohexane est inflammable conserver à l abri de la chaleur Le cyclohexane est dangereux pour l environnement ne pas jeter à l évier, récupérer dans un bidon spécial TP2 Les familles dans la classification 7