Chapitre 5 Classification périodique des éléments

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1 Chapitre 5 Classification périodique des éléments 1. Répartition des électrons Nous savons qu un atome neutre est composé d un noyau qui contient Z protons et que Z électrons tournent autour du noyau. Les électrons ne sont pas tous liés au noyau de la même façon Pour arracher un électron à un atome, il faut lui fournir de l énergie. On peut attribuer à chaque électron d un atome un niveau d énergie. Pour chaque atome il n y a que quelques niveaux possibles. Pour chaque niveau il y a un nombre maximal d électrons. Le niveau 1 (n=1) appelé couche K [ n est le nombre quantique principal] Il contient les électrons les plus fortement liés au noyau. Il contient au maximum 2 électrons. Le niveau 2 (n=2) appelé couche L Il contient les électrons un peu moins liés au noyau que ceux de la couche K. Il contient au maximum 8 électrons. Le niveau 3 (n=3) appelé couche M Il peut recevoir au maximum 18 électrons Après K, L, M, on continue l ordre alphabétique, il y a les couches N, O, P, Q (cf. le tableau périodique à la fin du livre.) Principe de Pauli : Le nombre maximal d électrons dans une couche de nombre quantique n est 2n 2. Pour n = 1 on a bien = 2 électrons Pour n = 2 on a bien = 8 électrons Pour n = 3 on a bien = 18 électrons Pour n = 4 on aurait = 32 électrons Atome dans l état fondamental On remplit les couches dans l ordre, en commençant par la couche K, puis L (remarque : On ne peut avoir plus de 8 électrons dans la couche la plus externe La couche N commence à se remplir avant que la couche M ne soit saturée. Atome dans l état excité Si on apporte de l énergie aux électrons, les électrons peuvent passer sur un autre niveau d énergie. Mais les électrons quittent rapidement l état excité pour retourner à l état fondamental. Exemple : Donner la structure électronique de l atome de sodium dans l état fondamental. 1

2 Atome de sodium : Le numéro atomique du sodium est Z = 11 Il y a donc 11 protons dans le noyau. Comme l atome est neutre, il y a 11 électrons qui tournent autour du noyau. Ils se répartissent selon : (K) 2 (L) 8 (M) 1 Exercice Donner la structure électronique dans l état fondamental pour Cl ; C ; Na + ; Cl - ; K ; Ca. Atome de chlore : Z = 17, il y a 17 protons et 17 électrons. (K) 2 (L) 8 (M) 7 Atome de carbone : Z = 6, il y a 6 protons et 6 électrons. (K) 2 (L) 4 Ion sodium Na + : Z = 11, il y a 11 protons, l ion Na + porte 1 charge + il y a donc seulement 10 électrons. (K) 2 (L) 8 Ion chlorure Cl - : Z = 17, il y a 17 protons et 18 électrons. (K) 2 (L) 8 (M) 8 Atome de potassium : Z = 19, il y a 19 protons et 19 électrons. (K) 2 (L) 8 (M) 8 (N) 1 (On ne peut avoir plus de 8 électrons dans la couche la plus externe.) Atome de calcium : Z = 20, il y a 20 protons et 20 électrons. (K) 2 (L) 8 (M) 8 (N) 2 2. Règles de stabilité des éléments a. Les gaz nobles (on dit aussi gaz rares car ils sont présents en très faible proportions dans l air) Ce sont des gaz monoatomiques qui ne réagissent pas chimiquement. hélium He Z =2 néon Ne Z= 10 argon Ar Z=18 krypton Kr Z= 36 xénon Xe Z= 54 (K) 2 (K) 2 (L) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 18 (N) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 18 (N) 18 (O) 8 b. Stabilité des autres éléments Au cours des réactions chimiques, les atomes tentent d acquérir une structure électronique plus stable que la leur, celle d un gaz noble. Règle du «duet»: Les éléments de numéro atomique proche de l hélium cherchent à acquérir 2 électrons sur leur couche externe. Règle de l octet : Les éléments qui ne sont pas proche de l hélium cherchent à acquérir 8 électrons sur leur couche externe. 2

3 Exemple : les ions monoatomiques. L atome de sodium Na : Z= 11; (K) 2 (L) 8 (M) 1 L atome de sodium est très réactif, il tend à perdre l électron de la couche externe pour donner un ion Na + (K) 2 (L) 8 3. Classification périodique Dimitri Mendeleïev ( ) est à l origine de la classification périodique actuelle, il a classé les atomes par masses croissantes et les éléments qui ont des propriétés chimiques semblables sont placés suivant des lignes. Dans la classification actuelle, les éléments sont classés par numéro atomique croissant. Comparons la structure électronique de l hydrogène, du lithium, du sodium, (...du potassium...) H (K) 1 ; Li (K) 2 (L) 1 ; Na (K) 2 (L) 8 (M) 1 ; K (K) 2 (L) 8 (M) 8 (N) 1 Dans la classification périodique, on va à la ligne lorsque le remplissage électronique fait intervenir une nouvelle couche. 1ère 2ème 3ème 4ème Chaque ligne horizontale de la classification est une. H He Li Be B C N O F Ne Lili bêche bien chez notre oncle Fernand Nestor Na Mg Al Si P S Cl Ar Napoléon mangeait allègrement six poulets sans claquer d argent. K Ca Les éléments d une même colonne verticale forment une famille (ou un groupe) Dans une famille, les atomes ont le même nombre d électrons sur la couche externe, ils ont donc des propriétés chimiques voisines. Le groupe I contient les métaux alcalins, le groupe II les alcalinoterreux, le groupe XVI les chalcogènes, le groupe XVII les halogènes le groupe XVIII les gaz nobles. 4. Étude de quelques familles A Famille des métaux alcalins: éléments de la première colonne (groupe 1) sauf H qui n est pas un métal. 3

4 Les métaux de la première colonne n ont qu un seul électron sur la couche externe, ce sont des métaux très réactifs. Exemple: le sodium peut exploser au contact de l eau. 2 Na + 2 H 2 O 2 Na OH - + H 2 Ces atomes perdent facilement l électron de la dernière couche pour donner: Li + Na + K + (K) 2 (K) 2 (L) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 8 B famille des gaz nobles c est la dernière colonne (groupe 18) ils sont présents en faible proportion dans l air, on dit aussi (famille des gaz rares) Z nom symbole formule électronique 2 hélium He (K) 2 10 néon Ne (K) 2 (L) 8 18 argon Ar (K) 2 (L) 8 (M) 8 36 krypton Kr (K) 2 (L) 8 (M) 18 (N) 8 Ils ont 8 électrons sur leur couche externe (sauf l hélium) Dans les conditions habituelles ce sont des gaz. Ils sont monoatomiques et ils ne réagissent- pas chimiquement. C famille des halogènes, éléments de l avant dernière colonne (groupe 17) 4 Z nom symbole formule électronique 9 fluor F (K) 2 (L) 7 17 chlore Cl (K) 2 (L) 8 (M) 7 35 brome Br (K) 2 (L) 8 (M) 18 (N) 7 53 iode I (K) 2 (L) 8 (M) 18 (N) 18 (O) 7 Dans les conditions habituelles on les trouve sous forme de corps simples diatomiques. F 2 et Cl 2 sont gazeux ; Br 2 liquide ; I 2 solide Ils sont très réactifs et très toxiques, ils forment facilement: F - Cl - Br - I - (K) 2 (L) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 18 (N) 8 (K) 2 (L) 8 (M) 18 (N) 18 (O) 8

5 5. Utilisation de la classification périodique Il existe une relation entre les propriétés chimique d un atome et sa place dans la classification puisque c est la structure électronique externe qui détermine les propriétés chimiques. Les atomes de la gauche de la classification tendent à former des ions positifs en perdant des électrons. Exemples: Na + ; Mg Les atomes du milieu de la classification mettront en commun des électrons. Ils tendent à former des liaisons covalentes. Les atomes de la droite de la classification (sauf les gaz nobles) tendent à capter des électrons et à former des ions négatifs. Exemples: Cl - ; O Les éléments plutôt donneurs d électrons sont les métaux. 5