Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique

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1 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique - MPSI 1 Lycée Chaptal Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique Le but de ce TP-cours est d illustrer sur quelques exemples les similitudes chimiques pour les éléments d une même colonne (c est-à-dire d une même famille chimique) et l évolution des propriétés chimiques dans une même ligne ou dans une même colonne. I - Un peu d histoire On attribue en général la classification périodique à Dmitri Mendeleïev, mais elle est le fruit d une lente évolution et de nombreuses contributions depuis les premiers travaux de Lavoisier. D ailleurs, comme on va le voir, la véritable classification de Mendeleïev était incomplète! corps simples sont isolés et connus : (Antimoine Sb, argent Ag, arsenic As, carbone C, cuivre Cu, étain Sn, fer Fe, mercure Hg, or Au, phosphore P, plomb Pb et soufre S) L anglais Humphry Davy révèle des propriétés communes au calcium Ca, au strontium Sr et au baryum Ba Le même Davy trouve des propriétés communes au lithium Li, au sodium Na et au potassium K corps simples sont connus Premier classement des éléments : ceux-ci sont classés par masse atomique croissante Le français De Chancourtois met en évidence une certaine périodicité du classement précédent qu il représente par une vis tellurique J.A. Newlands propose une périodicité de période 8 et parle de familles chimiques (par exemple les alcalins). Il utilise la règle de l octave (terme musical). Il propose le N 1 poue le lithium, et le 8 pour le sodium ; ou N 1 pour le sodium et N 8 pour le potassium, etc Mendeleïev propose sa classification qui apporte deux grandes idées : d une part, regrouper dans une même colonne les éléments possédant des propriétés communes en laissant si besoin certaines cases vides, et d autre part en inversant certains éléments de l ancienne classification, c est-à-dire à ne plus classer systématiquement les éléments en fonction de leur masse atomique. Si on regarde la classification actuelle, on peut ainsi remarquer les irrégularités argon/potassium, cobalt/nickel, mais surtout iode/tellure qui fût le principal aménagement de Mendeleïev. Mendeleïev était tellement persuadé de la justesse de ses vues qu il déclara que les cases vides trouveraient tôt ou tard un «locataire». Cependant, une de ses insuffisances - mais qu il ne pouvait deviner à l époque - était l absence de la colonne des gaz rares. Aujourd hui, la classification est fondée sur le nombre croissant de protons, et non plus sur la masse atomique Ramsay découvre les deux premiers gaz rares, hélium He et argon Ar, ce qui tempère l enthousiasme des partisans de Mendeleïev. Cependant, Ramsay propose d ajouter une colonne, en déclarant que si Mendeleïev a vu juste, les cases vides de cette nouvelle colonne trouveraient également des occupants. Ce même Ramsay découvrira peu après le krypton Kr et le xénon Xe, ce qui confirmera de façon splendide les idées de Mendeleïev. Au fur et à mesure, les nouveaux éléments découverts trouvent leur place dans le tableau, avec les propriétés prévues par la classification! Il y aura une dernière évolution avec la découverte des lanthanides et actinides, qui trouveront place dans deux nouvelles lignes mises à part pour conserver une certaine compacité au tableau. Aujourd hui, les «les cases sont pleines» pour tous les éléments naturels (jusqu à Z=92 pour l uranium). Les éléments suivants sont tous artificiels et sont appelés transuraniens. 1

2 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique II - Structure de Klechkovski Rappels Corps pur : Corps constitué d un seul type de constituants (contraire : MÉLANGE) Corps pur simple : Corps constitué d un seul type d atomes (Cu, H 2,...) Corps pur composé : Corps constitué d un seul type de molécules (H 2 O, NaCl,...) Remplissage selon Klechkovski : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 5p 6 7s 2 5f 14 6d 10 7p 6... Première colonne en ns 1 (sauf hydrogène) : ALCALINS Deuxième colonne en ns 2 : ALCALINO TERREUX Antépénultième (16 ème ) colonne en np 4 : CHALCOGENES Avant-dernière (17 ème ) colonne en np 5 : HALOGENES Dernière (18 ème ) colonne en np 6 : GAZ RARES ou NOBLES 2

3 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique - MPSI 1 Lycée Chaptal III - Propriétés chimiques de quelques familles d éléments Définition : Un élément métallique possède plusieurs propriétés : il est pur à l état solide, et possède alors un caractère réducteur ; il est bon conducteur de chaleur et d éléctricité ; il donne des cations ; il possède des sous-couches n et p peu ou pas remplies (ns 2 np 2 au maximum) ; il est plutôt peu électronégatif ; il donne au moins un oxyde basique. De par ses propriétés, les métaux regroupent donc tous les éléments des blocs s, d et f (sauf l hydrogène), et les éléments les plus en bas à gauche du bloc p. La frontière n est cependant pas toujours très nette, certains éléments sont même appelés métalloïdes ou semi-métaux, car ils ont un comportement intermédiaire : c est le cas du Bore B, Silicium Si, Arsenic As, Germanium Ge, Antimoine Sb, Tellure Te, voire Aluminium Al, Gallium Ga et Etain Sn. On trouve ainsi les semi-conducteurs. A. Famille des gaz nobles (dernière - ou 18 ème - colonne) Hélium He - Néon Ne - Argon Ar - Krypton Kr - Xénon Xe - Radon Rn On les nomme aussi gaz rares ou gaz inertes. Ils ont une configuration électronique en np 6 et ont été mis en évidence très tard car ils sont difficiles à isoler. Ils sont à la base de nos futurs raisonnements car, étant saturés, ils sont TRES STABLES : ils respectent en effet naturellement la régle du duet, de l octet ou des 18 électrons! Les différentes propriétés de tous les éléments découlent ainsi plus ou moins directement de celles de ces «gaz». On les appelle gaz car ils se trouvent, dans les CNTP (conditions normales de température et pression) sous forme gazeuse. De par leur saturation, ces éléments ne forment pas de liaisons covalentes : ils se trouvent donc à l état de corps simples monoatomiques, et ils ne réagissent pas avec les autres espèces chimiques : ON DIT QUE LES GAZ RARES SONT INERTES CHIMIQUEMENT. B. Famille des alcalins (première colonne) Lithium Li - Sodium Na - Potassium K - Rubidium Rb - Césium Cs Ce sont des métaux avec une bonne conductivité électrique et thermique. Ils ont une configuration électronique en ns 1, ils perdent donc facilement leur électron de valence pour rejoindre la structure du gaz noble le plus proche, c est-à-dire le gaz noble précédent. Il donne alors des cations stables M + qui est la structure du gaz noble qui précède. Les alcalins sont ainsi des réducteurs puissants qui cèdent facilement un électron. Ils réagissent violemment avec l eau à froid pour donner des oxydes de formule MOH (M + + OH ). Expérience 1 : réduction de l eau par le sodium Le sodium Na doit être conservé dans des hydrocarbures à l abri de l humidité et il doit être manipulé avec précaution. On place un morceau de sodium dans un cristallisoir contenant de l eau additionnée de quelques gouttes de phénolphtaléine et on couvre d une grille de protection. On observe une réaction très vive avec un rougissement de la phénolphtaléine, le gaz qui se forme est du dihydrogène. Les couples qui 3

4 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique interviennent sont Na + /Na et H 2 O/H 2. On peut écrire l équation de la réaction avec formation de OH : Na + H 2 O 1 2 H 2 + Na + + OH Une expérience similaire peut être réalisée avec le potassium : la réaction est encore plus violente, ce qui montre que le pouvoir réducteur augmente quand on descend dans la colonne (l électron de valence est de moins en moins lié à l atome, l électronégativité diminue). Les alcalins réagissent aussi avec le dioxygène gazeux pour donner des oxydes de formule M 2 O (voir plus loin). Ils réagissent encore avec le dichlore gazeux pour donner des chlorures de formule MCl. C. Famille des alcalino-terreux (deuxième colonne) Béryllium Be - Magnésium Mg - Calcium Ca - Strontium Sr - Baryum Ba Ce sont des métaux de configuration électronique en ns 2 : ils perdent facilement les deux électrons de valence pour donner des cations stables M 2+ (structure du gaz noble qui précède). Les alcalino-terreux sont de bons réducteurs et peuvent ainsi réagir avec l eau pour donner des hydroxydes de formule M(OH) 2. Expérience 2 : réduction de l eau par le calcium On introduit un morceau de calcium Ca dans de l eau et un dispositif permet de récupérer le gaz qui se dégage, d abord faiblement puis de plus en plus vite. L eau se trouble d un précipité blanc d hydroxyde de calcium et l addition de quelques gouttes de phénolphtaléine la teinte en rouge. Le gaz récupéré peut être enflammé : c est du dihydrogène. Les couples qui interviennent sont Ca(OH) 2 /Ca et H 2 O/H 2, selon Ca + 2H 2 O H 2 + Ca(OH) 2 (ou Ca OH ) Les alcalino-terreux réagissent aussi avec le dioxygène gazeux pour donner des oxydes de formule MO. Ils réagissent encore avec le dichlore gazeux pour donner des chlorures de formule MCl 2. 4

5 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique - MPSI 1 Lycée Chaptal D. Famille des halogènes (avant-dernière - ou 17 ème - colonne) Fluor F - Chlore Cl - Brome Br - Iode I Leur configuration électronique est en np 5, ils sont donc stables sous la forme de molécules diatomiques X 2. Dans les CNTP, le difluor et le dichlore sont gazeux, le dibrome est liquide et le diiode est solide. Ce sont des non métaux. Les halogènes captent facilement un électron pour donner des anions halogénures X stables (structure du gaz noble qui suit, puisque c est le gaz noble le plus proche). Ce sont de bons oxydants puisqu ils captent facilement des électrons. Ce pouvoir oxydant diminue lorsque le numéro atomique Z de l élément augmente. Par exemple, les dihalogènes Cl 2, Br 2 et I 2 oxydent l aluminium en halogénure d aluminium de formule AlX 3, selon (pour le dichlore par exemple) : 2Al Cl 2 2AlCl 3 En solution aqueuse, on utilise l eau de chlore, l eau de brome et l eau d iode (ou eau iodée), qui sont des solutions oxydantes. L eau de chlore, obtenue en faisant barboter le dichlore gazeux dans de l eau, est jaunâtre, c est une solution acide du fait de la réaction de dismutation de Cl 2 qui produit des ions H 3 O +, selon Cl 2 + H 2 O Cl + HClO + H + L eau de brome est rougeâtre et est obtenue en mélangeant le dibrome liquide et l eau. L eau iodée est brune et est obtenue en écrasant des paillettes de diiode dans de l eau. On peut augmenter la solubilité du diiode dans l eau en ajoutant une solution d iodure de potassium, il se forme alors un complexe I 3 (I 2 + I I 3 ). Le diiode, même présent en petite quantité, peut être mis en évidence avec de l empois d amidon (formation d un complexe bleu sombre). Expériences 3 : mise en évidence du caractère oxydant des solutions aqueuses de dihalogène 3-a : Oxydation des ions Fe 2+ (sel de Mohr) par une solution de dichlore Dans un tube à essais contenant environ 4 ml d une solution fraîche de sel de Mohr, ajouter 1 ml de solution aqueuse de dichlore, puis quelques gouttes de thiocyanate de potassium (K + + SCN ). La solution passe alors d incolore à rouge brique, qui est la couleur du complexe FeSCN 2+. La réaction qui se produit est en effet 2Fe 2+ + Cl 2 2Fe Cl 3-b : Oxydation des ions thiosulfate S 2 O 3 2 par une solution d eau iodée Dans un tube à essais contenant environ 4 ml d eau iodée, ajouter la solution de thiosulfate de sodium, jusqu à décoloration. On pourra utiliser l empois d amidon pour repérer plus facilement la décoloration. Cette réaction rapide et totale est utilisée dans les dosages en iodométrie : I 2 + S 2 O 2 3 2I + S 4 O 2 6 5

6 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique Expériences 4 : précipitation des halogénures 4-a : Avec les ions argent (I) Ag + Dans 3 tubes à essais, mettre environ 4 ml des solutions d halogénures et ajouter 1 ml de nitrate d argent (I). Des précipités se forment alors avec les équations des réactions : Ag + + Cl AgCl (précipité blanc) Ag + + Br AgBr (précipité blanc sale) Ag + + I AgI (précipité jaune) 4-b : Avec les ions plomb (II) Pb 2+ Faire les mêmes expériences en remplaçant le nitrate d argent par le nitrate de plomb (II). Pb Br PbBr 2 (précipité blanc jaunâtre) Pb I PbI 2 (précipité jaune vif) IV - Évolution de propriétés chimiques dans une même colonne On se propose de comparer les pouvoirs oxydants des dihalogènes. Le fluor, très réactif et l astate, radioactif (durée de vie de 8h30), ne seront pas étudiés ici. On peut comparer les couples Cl 2 /Cl, Br 2 /Br, I 2 /I en réalisant des tests dans des tubes à essais avec des solutions aqueuses de dihalogène et des solutions d halogénure de potassium. Pour mettre en évidence le dihalogène éventuellement formé, on utilise de l hexane qui est un meilleur solvant que l eau pour les dihalogènes. Expériences 5 : comparaison des pouvoirs oxydants de Cl 2, Br 2 et I 2 Dans un tube à essais, mettre environ 4 ml d une solution d halogénure de potassium ; ajouter 1 ml d une solution aqueuse d un autre halogène et 1 ml d hexane. Boucher, agiter et noter la couleur de la phase organique (celle contenant l hexane). Les réactions qui s effectuent sont alors Cl 2 + 2I 2Cl + I 2 : l hexane dissout le diiode formé Br 2 + 2I 2Br + I 2 Cl 2 + 2Br 2Cl + Br 2 On peut alors conclure en classant les dihalogènes selon leur pouvoir oxydant croissant : le dichlore est l oxydant le plus fort, devant le dibrome et enfin le diiode. 6

7 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique - MPSI 1 Lycée Chaptal V - Évolution de propriétés chimiques dans une même ligne On se propose de comparer les oxydes formés par les éléments de la 3ème ligne (ou période). A. Étude générale des oxydes Les oxydes, de formule générale MxOy, résultent de la combinaison de l oxygène avec un élément M. Ces réactions chimiques, dites réaction de combustion, sont très fréquemment exothermiques. De très nombreux métaux (alcalins, alcalino-terreux, Al, Cr, Mn, Fe...) et non-métaux (B, S, P, C, Si...) brûlent dans le dioxygène. Les oxydes sont classés selon leur caractère acide ou basique : un oxyde est dit acide si, lors de sa dissolution dans l eau, il fixe des molécules d eau et libère des protons H + (et donc H 3 O + ) ; un oxyde est dit basique si, lors de sa dissolution dans l eau, il libère des ions hydroxydes HO ; un oxyde est amphotère s il peut libérer à la fois des protons H + et des ions HO. B. Caractère acido-basique des oxydes des éléments de la 3ème ligne Expérience 6 : combustion de l aluminium De la poudre d aluminium tombe en pluie dans la flamme d un bec Bunsen, elle y brûle avec une lumière vive. On peut recueillir, dans une soucoupe, une poudre fine d oxyde d aluminium Al 2 O 3 appelé aussi alumine. L équation de la réaction de combustion est 2Al O 2 Al 2 O 3 L oxyde formé est très peu soluble dans l eau. Il donne l hydroxyde d aluminium Al(OH) 3(s), qu on peut aussi obtenir à partir d une solution de nitrate d aluminium (III) et de soude (on le verra dans un prochain TP). Expérience 7 : combustion du carbone Le carbone appartient à la seconde période et a les mêmes propriétés que le silicium qui est juste au-dessous (qui est donc de la même famille). On porte à incandescence un morceau de carbone (charbon de bois ou fusain) fixé sur un support puis on l introduit rapidement dans un flacon de dioxygène pur : il continue à brûler avec vivacité. Il se forme du dioxyde de carbone CO 2(g). On ajoute ensuite un peu d eau dans le flacon et on agite pour dissoudre le gaz. On dépose une goutte de la solution obtenue sur du papier ph : le ph est légèrement acide. La réaction de formation du dioxyde de carbone et celle de sa dissolution dans l eau sont : C + O 2 CO 2 et CO 2 + H 2 O H + + HCO 3 7

8 TP Chimie - Évolution des propriétés chimiques dans la classification périodique Expérience 8 : combustion du soufre La même expérience réalisée avec du soufre conduit à une solution nettement acide : le dioxyde de soufre SO 2(g) est donc un oxyde acide. Au contraire, si on réalise la combustion du sodium, on obtient après addition d eau une solution basique : l oxyde de sodium Na 2 O est un oxyde basique. S + O 2 SO 2 puis SO 2 + H 2 O HSO 3 + H+ 4Na + O 2 2Na 2 O puis Na 2 O + H 2 O 2Na + + 2OH Le caractère acidobasique des oxydes au sein de la 3 ème ligne évolue donc au fur et à mesure que l on se déplace à droite dans la classification périodique. VI - Quelques compléments 1. Énergie de première ionisation EI1 C est l énergie qu il faut fournir pour arracher un électron de l atome dans son état gazeux... Par analogie, on définit également les énergies EI2, EI3, etc. 2. Électroaffinité ou affinité électronique EA Soit la réaction X (g) + e X (g). L énergie échangée lors de la capture d un électron par l atome gazeux est appelée énergie de première attachement. L EA est l opposée de cette énergie E att.. EA=-E att EA peut être positive ou négative. Exemple : la réaction Cl (g) + e Cl (g) dégage de l énergie, donc E att < 0 ie EA > Électronégativité χ C est la tendance d un élément à attirer les électrons d une liaison covalente. Ainsi, pour la liaison A B, l élément A attire plus la liaison que B, on a χ A > χ B. L élément le plus électronégatif est le fluor. Il existe deux échelles pour mesurer l électronégativité : l échelle de Pauling, qui est la référence des chimistes ; EI1(X) + EA(X) l échelle de Mulliken, qui pose pour un élément X χ M (X) = k M avec k M = 1 ev 1. Pour 2 coïncider en ordre de grandeur avec l échelle de Pauling, on choisit aujourd hui k M 0, 42 ev 1. 8

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