Chapitre 5 / TP 4 : La classification périodique des éléments

Transcription

1 Chapitre 5 / TP 4 : La classification périodique des éléments Pourquoi et comment a-t-on classé les éléments chimiques? Pourquoi parler de périodicité? Qu ont en commun les atomes des éléments d une même colonne? I. Bref historique Les premiers essais Dans l antiquité, on connaissait déjà quelques éléments comme le cuivre, le fer, l argent ou le soufre. Avant 1700, 12 éléments étaient connus. En 1850, ce nombre avait quintuplé. Rappelons qu à cette époque, la structure de l atome n avait pas encore été établie. Pour caractériser les éléments chimiques, on utilisait la masse atomique. Pour les chimistes du XIX ème siècle, la masse atomique d un élément est donnée en prenant pour référence la masse atomique de l hydrogène. Ainsi, la masse atomique 16 de l oxygène signifie que l oxygène est 16 fois plus lourd que l hydrogène. En étudiant les propriétés des éléments, les chimistes découvrent que certains d entre eux possèdent des propriétés chimiques voisines. C est ainsi que naît la théorie des triades. Une triade est un groupe de 3 éléments ayant des propriétés similaires. Parmi elles, on peut noter la triade lithium/sodium/potassium, étudiée en 1818 par le chimiste anglais H. Davy, et la triade chlore/brome/fluor, que l on doit à l Allemand J.W. Döbereiner en Vers 1850, une vingtaine de triades sont identifiées. Plusieurs tentatives de classification suivent, mais aucune n est satisfaisante. Le génie de Mendeleïev C est au premier congrès international de chimie de Karlsruhe en 1860 que le jeune chimiste russe Dimitri Mendeleïev ( ) assiste à la présentation d idées nouvelles sur la périodicité des propriétés chimiques des éléments. Intéressé, il se met au travail et propose en 1869 une première classification. En classant les éléments par masses atomiques croissantes, Mendeleïev se rend compte que les éléments ayant des propriétés similaires se retrouvent à intervalles réguliers, il en conclut à l existence d une périodicité de propriété parmi les éléments chimiques. Les 63 éléments figurant dans son tableau sont classés par masses atomiques croissantes et les familles d éléments ayant des propriétés voisines sont regroupées. Pour respecter la périodicité, Mendeleïev est parfois amené à inverser l ordre croissant et à laisser des cases vides. Il prévoit ainsi la découverte de nouveaux éléments, dont il estime les masses atomiques et prédit les propriétés. La découverte ultérieure des éléments scandium (Sc), gallium (Ga), germanium (Ge), technétium (Tc), rhénium (Re) et polonium (Po) lui donnera raison. Malgré le génie de Mendeleïev, la méconnaissance de la structure de l atome, de l isotopie et les nombreux éléments chimiques manquants font obstacle à une classification définitive. Il y a dans son tableau quelques erreurs. Par exemple, on sait aujourd hui que le béryllium (Be) et le magnésium (Mg) ont des propriétés analogues au calcium (Ca) et au strontium (Sr). Certaines découvertes, comme celles du lanthane (La) et des gaz nobles, posent problème à Mendeleïev, car il ne sait où les placer. Néanmoins, sa classification permettra à la chimie de faire d énormes progrès. Mendeleïev restera dans l histoire l homme qui a créé le tableau périodique. G. GREDAT Page 1 TP de seconde

2 II. Pourquoi parler de familles d éléments chimiques? Les halogènes Action d une solution de nitrate d argent sur des solutions d halogénures de potassium Introduire respectivement dans quatre tubes à essais, numérotés de 1 à 4 : une solution de chlorure de potassium (K + (aq) + Cl (aq)) pour le premier tube ; une solution de bromure de potassium (K + (aq) + Br (aq)) pour le deuxième tube ; une solution d iodure de potassium (K + (aq) + I (aq)) pour le troisième tube ; une solution de sulfate de potassium (2 K + (aq) + SO2 4 (aq)) pour le dernier tube qui sert de témoin. Ajouter 5 gouttes de la solution de nitrate d argent (Ag + (aq) + NO 3 (aq)) au compte-gouttes dans chacun des quatre tubes à essais. Observer (aspect, couleur). La réaction avec la solution de nitrate d argent a-t-elle lieu dans les quatre tubes à essais? Que s est il formé dans les tubes à essais où la réaction a eu lieu? Quel est l élément chimique présent (sous forme d ions) dans chacun des quatre tubes avant le versement de la solution de nitrate d argent? Cet élément commun, présent dans les quatre tubes a-t-il pu réagir avec la solution de nitrate d argent après son versement? Si non, expliquer. Ag + (aq) avant : après : Équation de réaction : +NO 3 (aq) K + Quels sont alors les éléments qui ont réagi avec la solution de nitrate d argent? Cl tube 1 tube 1 Séparer les tubes à essais en deux parties et porter à la lumière d une lampe UV une partie de chaque précipité. Qu observe-t-on? Il s agit d une réaction photochimique (analogue à la formation du négatif en photographie). Action d une solution de nitrate de plomb sur des solutions d halogénures de potassium Réitérer le protocole précédent en remplaçant le nitrate d argent par du nitrate de plomb (Pb 2+ (aq) + 2 NO 3 (aq) ). Que se passe-t-il? Déterminer l équation de réaction du tube 3 en faisant attention à la charge du cation plomb. Si nous chauffons fortement le tube, nous voyons le précipité disparaître... En fait, à température assez élevée il y a re-dissolution, ce qui montre que la solubilité d un corps dépend de la température. Les métaux alcalins Il s agit des éléments Lithium (Li), Sodium (Na), Potassium (K), Rubidium (Rb), Césium (Cs) et Francium (Fr). Ils ont la propriété commune de réagir avec l eau H 2 O (l) : voir la vidéo. La réaction est exothermique : elle dégage de la chaleur, ce qui entraîne la combustion (voire explosion) du dihydrogène H 2 (g) produit. G. GREDAT Page 2 TP de seconde

3 La phénolphtaléine est un indicateur coloré : sa couleur rose indique la présence de l espèce basique HO (aq). Équilibrer l équation de réaction dans le cas du sodium : Il faut s assurer que les éléments chimiques se conservent ainsi que la charge totale! Na (s) + H 2 O (l) = Na + (aq) + HO (aq) + H 2 (g) Les gaz nobles (Cf. Chapitre 5 ) Il y a l hélium (He), le néon (Ne), l argon (Ar), le Krypton (Kr), le Xénon (Xe), le radon (Rn). Pourquoi, selon vous, les a t on découverts tardivement? En définitive, on classe en familles des éléments chimiques qui possèdent des propriétés chimiques semblables. Les halogènes, les alcalins et les gaz-rares en constituent trois exemples. III. Périodicité des propriétés physiques Température de fusion (en C) He 10Ne 18Ar 36Kr 54Xe Numéro atomique Z Rayon atomique (en pm) He 10Ne 54Xe 18Ar 36Kr Numéro atomique Z Quel est l élément qui possède la plus grande température de fusion? Quelles remarques peut on faire sur les gaz rares? À partir des cartes des éléments chimiques données en annexe, placer les éléments de la famille des alcalins sur le graphique de droite. Que peut-on remarquer sur la valeur de leur rayon atomique? Regarder la vidéo sur la malléabilité des alcalins. Les familles chimiques ont donc, vraisemblablement, des propriétés physiques voisines. G. GREDAT Page 3 TP de seconde

4 Quel lien le graphique de droite a-t-il avec les couches électroniques K, L, M? Combien remplit-on de couches à priori, pour décrire les structures électroniques jusqu au Krypton (Kr)? Quelle remarque peut-on faire cette fois sur la position des éléments d une même famille chimique sur ces graphiques? On parle de périodicité des propriétés physico-chimiques des éléments. IV. De l idée de Mendeleïev à la classification actuelle Dans le texte historique, relever les idées de Mendeleïev pour tenir compte de la périodicité des propriétés physico-chimiques des éléments et les classer. Construire, en découpant les cartes des éléments en annexe, cette classification. Quel problème rencontre-t-on entre l argon (Ar) et le potassium (K)? Pour remédier à ce problème, il ne faut plus classer les éléments par masses atomiques croissantes. Cependant, comme on souhaite construire un tableau, il faut dégager 2 critères de classement (lignes et colonnes). Que proposez-vous? Sur chaque carte, écrire la structure électronique de l atome à côté du schéma. Puis, remplir le schéma en plaçant les électrons sur les différentes couches. Mendeleïev avait laissé une case vide sous celle de l aluminium et avait prévu les propriétés et la masse atomique de cet élément qu il ne connaissait pas encore mais qu il appela "Eka-aluminium". Cet élément est le Gallium (Ga). Compte tenu de l emplacement de celui-ci, essayez de prévoir les formules des corps composés quand on le fait réagir avec l hydrogène, l oxygène et le chlore. Prédire également la structure électronique du Gallium et son numéro atomique. Quels ions forment les atomes des colonnes 1, 2 ou 13? Pourquoi? Quels ions forment les atomes des colonnes 15, 16 ou 17? Pourquoi? Les éléments de la classification moderne sont classés par numéro atomique Z croissant ; À chaque nouvelle ligne, également appelée période, la formule électronique des atomes fait intervenir une nouvelle couche électronique ; Les éléments d une même famille chimique, ou encore ceux qui possèdent le même nombre d électrons externes sont disposés dans une même colonne. G. GREDAT Page 4 TP de seconde

5 Annexe Bore (B) Azote (N) Oxygène (O) Masse atomique : 11 g/mol Masse atomique : 14 g/mol Masse atomique : 16 g/mol Solide noir, léger et très dur Gaz incolore et inodore Gaz incolore et inodore Corps composés : B 2 O 3, B 2 H 6, BCl 3 Corps composés : NO, NO 2, N 2 O 5, NH 3 Corps composés : H 2 O, CaO, Na 2 O Z=5 K LM Z=7 K LM Z=8 K LM Calcium (Ca) Potassium (K) Brome (Br) Masse atomique : 40 g/mol Masse atomique : 39 g/mol Masse atomique : 80 g/mol Métal blanc brillant Métal blanc, argenté et mou Liquide volatil rouge sombre Corps composés : CaO, CaCl 2 Corps composés : K 2 O, KCl Corps composés : HBr, NaBr Z=20 K LMN Z=19 K LMN Z=35 K LMN Silicium (Si) Phosphore (P) Carbone (C) Masse atomique : 28 g/mol Masse atomique : 31 g/mol Masse atomique : 12 g/mol Solide bleu acier Solide blanc Solide noir (graphite) ou transparent (diamant) Corps composés : SiO 2, SiH 4, SiCl 4 Corps composés : P 2 O 5, PH 3, PCl 3 Corps composés : CO, CO 2, CH 4, CCl 4 Z=14 K LM Z=15 K LM Z=6 K LM Fluor (F) Hydrogène (H) Soufre (S) Masse atomique : 19,9 g/mol Masse atomique : 1 g/mol Masse atomique : 32 g/mol Gaz jaune et toxique Le plus léger des gaz Solide jaune (volcans) Corps composés : HF, NaF Corps composés : H 2 O, CH 4, HCl Corps composés : SO 3, SO 2, H 2 S, Na 2 S, CaS Z=9 K LM Z=1 K LM Z=16 K LM Lithium (Li) Magnésium (Mg) Aluminium (Al) Masse atomique : 7 g/mol Masse atomique : 24 g/mol Masse atomique : 27 g/mol Métal blanc argent malléable et mou Métal blanc argent, malléable et ductile Métal blanc, bon conducteur Corps composés : LiH, LiCl, Li 2 O Corps composés : MgO, MgCl 2 Corps composés : Al 2 O 3, AlCl 3, Al 2 H 6 Z=3 K LM Z=12 K LM Z=13 K LM Chlore (Cl) Hélium (He) Argon (Ar) Masse atomique : 35,5 g/mol Masse atomique : 4 g/mol Masse atomique : 39,9 g/mol Gaz verdâtre peu soluble Gaz inerte Gaz inerte Corps composés : NaCl, HCl Z=17 K LM Z=2 K LM Z=18 K LM Néon (Ne) Béryllium (Be) Sodium (Na) Masse atomique : 20,2 g/mol Masse atomique : 9 g/mol Masse atomique : 23 g/mol Gaz inerte Métal blanc peu dense Métal blanc argenté mou Corps composés : BeCl 2, BeO Corps composés : Na 2 O, NaCl Z=10 K LM Z=4 K LM Z=11 K LM