Chapitre 12 La classification périodique des éléments Manuel pages 182 à 197 Choix pédagogiques. L'objectif de ce chapitre est de savoir utiliser la classification. Pour cela, il est important que l élève se familiarise avec un certain nombre d'éléments qu'il aura l'occasion de rencontrer dans la vie courante et au cours de ses études secondaires. À partir de cette bibliothèque d'éléments connus, l'élève devrait être capable de prévoir le comportement d'autres éléments d'après leur situation dans la classification. Pour être en conformité avec le programme, nous n'avons pas évoqué le nombre de liaisons covalentes que forme un élément. Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : La découverte des éléments Commentaires. Cette activité documentaire a pour objectif de montrer que la chimie est une science jeune par rapport à la physique ou aux mathématiques. Les éléments chimiques se rencontrent très rarement à l'état pur dans la nature, et les extraire des divers composés dans lesquels ils se trouvent nécessite des procédés techniques avancés. Au passage, on rappelle la distinction entre corps purs et corps composés et on fait apparaître l'inertie des gaz nobles. Enfin, il est possible de réaliser un travail transdisciplinaire avec l'enseignant d'histoire : on peut, par exemple, mettre en parallèle la découverte des éléments avec les grandes avancées techniques contemporaines ou dresser le portrait de grandes personnalités scientifiques. La dernière question doit permettre aux élèves de traduire sous une forme plus schématique les informations extraites de leurs recherches. Réponses 1. Rechercher des informations a. 15 éléments chimiques étaient connus en 1700. b. Durant le XVI e siècle, aucun élément n'a été découvert ; durant le XVII e siècle, un seul élément a été découvert ; au XVIII e siècle, dix-sept éléments ont été découverts ; enfin au XIX e siècle, cinquante et un éléments ont été découverts. c. H He Li F Ne Na Cl Ar K 1766 1868 1817 1766 1898 1807 1774 1894 1807. Nathan 2010 1
Sirius 2de - Livre du professeur 2. Interpréter a. L'or, le cuivre et l'argent sont des métaux qui peuvent exister à l'état natif (c'est-à-dire purs) dans certains gisements. Les autres métaux doivent être obtenus par des procédés techniques avancés à partir de minerais : oxydes ou sulfures par exemple. b. Les atomes d'hélium, le néon et l'argon, de numéros atomiques respectifs 2, 10 et 18, ont des couches électroniques saturées ; ils respectent la règle de l'octet, ils ne forment pas facilement de corps composés et sont difficiles à mettre en évidence lors de transformations chimiques. 3. Représenter des informations. Nathan 2010 - Les éléments connus jusqu à la Renaissance. 2
Sirius 2de - Livre du professeur - Les éléments connus après les travaux d Antoine Lavoisier.. Nathan 2010 - Les éléments connus lorsque Mendeleïev proposa sa classification. 3
Remarque. L hélium avait été mis en évidence en 1868 dans le spectre de la lumière solaire. Mendeleïev ne l'a pas fait figurer dans son tableau de 1869 car la présence de cet élément sur Terre n'avait pas encore été attestée.. Nathan 2010 4
Activité documentaire 2 : Le génie de Mendeleïev Commentaires. L'étude de la démarche historique de Mendeleïev permet d'insister sur les deux axes qui guident le remplissage de la classification depuis son élaboration en 1869 : - masse atomique croissante, - analogies de propriétés chimiques. Elle permet en outre de faire remarquer que la théorie ne se justifie pas d'elle-même mais que c'est une découverte ultérieure, ici celle du gallium, qui en révèle toute la pertinence. Réponses 1. Comprendre le texte a. Le premier critère de classification des éléments fut le «poids atomique» (ligne 6). b. On utilise aujourd hui le terme «masse atomique». c. Cette notion n'existait pas en 1869. d. Mendeleïev inverse le tellure et l iode pour respecter des analogies de propriétés chimiques. 2. Étudier la démarche de Mendeleïev a. Composé M x O y Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 Cl 2 O 7 Rapport y/x 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Il y a toujours addition de 0,5, donc l'évolution se fait dans le même sens ; ces éléments sont rangés dans une même colonne (dans une même ligne pour la classification actuelle). b. D'après leurs masses, l éka-bore correspond au scandium, l éka-aluminium au gallium et l éka-silicium au germanium. 3. Comparer avec la classification actuelle a. Les éléments Cl, Br et I appartiennent à une même ligne de la classification de Mendeleïev et à une même colonne de la classification actuelle. b. H (K) 1 Li (K) 2 (L) 1 Na (K) 2 (L) 8 (M) 1 On remarque que ces éléments ont le même nombre d électrons sur leur couche externe. c. Li Be B C N O F Ne (K) 2 (L) 1 (K) 2 (L) 2 (K) 2 (L) 3 (K) 2 (L) 4 (K) 2 (L) 5 (K) 2 (L) 6 (K) 2 (L) 7 (K) 2 (L) 8 On remarque que ces éléments ont les mêmes couches électroniques occupées.. Nathan 2010 5
Activité expérimentale 3 : Les familles d éléments Commentaire. On travaille sur deux familles d'éléments, les halogènes et les alcalino-terreux. Réponses 1. Observer a. La solution aqueuse de dichlore est incolore ; celle de dibrome est jaune orangé et celle de dibrome est brune. b. Dans tous les cas, la couleur est plus intense dans le cyclohexane.. Nathan 2010 6
2. Interpréter Les molécules de dihalogène sont plus solubles dans le cyclohexane que dans l'eau. 3. Observer a. Dans chacun des trois premiers tubes, il se forme un précipité blanc. b. Dans le tube 4, aucune modification n'est observable. Le tube 4 contient les ions K +, NO 3 - et Ag +, comme le tube 1 ; en revanche, il ne contient pas les ions chlorure Cl -. 4. Interpréter a. Les ions halogénures réagissent avec le nitrate d'argent, l'ion potassium ne réagit pas dans le tube 4. b. On forme les solides suivants : AgCl, AgBr et AgI. c. Les ions halogénures forment des précipités avec les ions argent. 5. Observer a. La solution de permanganate de potassium est stable, il n'y a pas de réaction entre ses ions K + et MnO 4 -. b. À la fin de l'expérience 3, les tubes ont le même aspect que ceux de l'expérience 1. 6. Interpréter a. On forme les dihalogènes Cl 2, Br 2 et I 2. b. Les ions halogénures réagissent avec les ions permanganate pour former les molécules de dihalogènes correspondantes. 7. Observer a. Lors de l'ajout d'acide chlorhydrique, on observe un dégagement gazeux dans les deux tubes. b. Lorsque le briquet enflammé est approché de ce dégagement gazeux, on entend une sourde détonation. c. À la fin de l'expérience, aucune trace de solide n'est visible. 8. Interpréter a. La flamme permet de mettre en évidence la formation de dihydrogène H 2. b. Les solides Ca et Mg sont consommés en présence de l'acide et conduisent à la formation de dihydrogène. 9. Conclure a. Le fluor, le brome et l'iode appartiennent à la même colonne de la classification périodique. b. Le calcium et le magnésium appartiennent à la même colonne de la classification périodique. c. Des éléments situés dans une même colonne de la classification périodique possèdent des propriétés chimiques semblables : les membres d'une famille ont des caractères physiques communs. Voilà pourquoi on dit que les éléments chimiques d'une même colonne appartiennent à une même famille.. Nathan 2010 7
Exercices Exercices d application 5 minutes chrono! 1. Mots manquants a. numéro atomique b. colonne c. ligne ; période d. troisième e. couche externe f. deux g. L 2. QCM a. Na +. b. Qu'ils gagnent facilement un électron. c. Il a tendance à perdre 2 électrons. d. Les gaz nobles. e. Qu'il appartient à la 2 e colonne. f. Le soufre appartient à la troisième colonne. Mobiliser ses connaissances La classification périodique des éléments ( 1 du cours) 3. Al (aluminium), Z = 13 Ag (argent), Z = 47 Ac (actinium), Z = 89 Ar (argon), Z = 18 Au (or), Z = 79 Am (americium), Z = 95 As (arsenic), Z = 33 At (astate), Z = 85 4. Corrigé dans le manuel. 5. Première période : 2 éléments ; deuxième période : 8 éléments ; troisième période : 8 éléments. 8 + 8 + 2 = 18. Le dernier élément de la troisième période correspond donc à Z = 18. 6. L atome de soufre S possède la même structure électronique externe que l atome d oxygène O puisqu'il appartient à la même colonne. Il possède une couche supplémentaire puisqu'il appartient à la ligne en dessous. Sa configuration électronique est donc : (K) 2 (L) 8 (M) 6.. Nathan 2010 8
Utilisation de la classification périodique ( 2 du cours) 7. a. Pour aboutir à la configuration électronique (K) 2 (L) 8, le sodium perd facilement un électron. Il conduit donc facilement à l ion Na +. b. Par analogie de propriétés chimiques, les éléments de la même colonne forment ainsi Li +, K + et Cs +. 8. a. L hydrogène H établit une liaison au sein des molécules. b. L atome C est engagé dans quatre liaisons dans la molécule CH 4. c. Par analogie de propriétés chimiques, on peut affirmer que Si forme usuellement quatre liaisons également. 9. Symbole Si S Li F Na Ligne n 3 3 2 2 3 Colonne n 14 16 1 17 1 Z 14 16 3 9 11 Configuration (K) 2 (L) 8 (M) 4 (K) 2 (L) 8 (M) 6 (K) 2 (L) 1 (K) 2 (L) 7 (K) 2 (L) 8 (M) 1 10. Hélium, He, Z = 2 Néon, Ne, Z = 10 Argon, Ar, Z = 18 Krypton, Kr, Z = 36 Xénon, Xe, Z = 54 Radon, Rn, Z = 86 11. Corrigé dans le manuel. 12. Sur l'étiquette d'une bouteille d'eau minérale, on trouve les ions Na + et K +, qui sont des ions d'alcalins. Utiliser ses compétences 13. a. or ; b. Cl ; c. I ; d. Ga. 14. Il s agit du dernier élément découvert à ce jour, il est artificiel. 15. a. Si. b. L élément Si appartient à la 3 e période de la classification. Sa couche externe est la couche L. c. Il appartient à la colonne 14 : il y a donc 4 électrons sur sa couche externe. Sa configuration électronique est la suivante : (K) 2 (L) 8 (M) 4. d. P : (K) 2 (L) 8 (M) 5 S : (K) 2 (L) 8 (M) 6 Cl : (K) 2 (L) 8 (M) 7 Ar : (K) 2 (L) 8 (M) 8. Nathan 2010 9
16. a. Il s agit du néon, de symbole Ne. b. On a Z = 10. Un anion est un élément qui a gagné des électrons. Z = 9, F - Z = 8, O 2- Z = 7, N 3- c. Un cation est un élément qui a perdu des électrons. Z = 11, Na + Z = 12, Mg 2+ 17. a. Le symbole du béryllium est Be, celui du magnésium est Mg. b. Be : (K) 2 (L) 2. La couche externe est la couche L, elle contient 2 électrons. Mg : (K) 2 (L) 8 (M) 2. La couche externe est la couche M, elle contient 2 électrons. c. Be : Z = 4 : il appartient à la deuxième période et à la deuxième colonne. Or la première période contient deux éléments. On a bien Z = 2 + 2. Mg : Z = 12 : il appartient à la troisième période et à la deuxième colonne. Or la deuxième période contient huit éléments. On a bien Z = 2 + 8 + 2. 18. a. Soit p la charge de l'aluminium. La somme des charges des ions est nulle : p 3 = 0. Donc p = 3. b. Le numéro atomique de Al est Z = 13 ; l'atome Al contient 13 électrons. L'ion Al 3+ est un cation, il a trois électrons de moins que l'atome, soit 10 électrons : la configuration électronique de Al 3+ est ainsi : (K) 2 (L) 8. Ainsi l'ion Al 3+ possède des couches électroniques saturées, il vérifie la règle de l'octet. c. Dans la classification périodique, on constate que les éléments Ga, In, Th, et B appartiennent tous à la colonne de l élément Al. On peut alors supposer que ces éléments ont des propriétés chimiques semblables à celles de l aluminium Al ; entre autres, ils forment les composés suivants : GaCl 3, InCl 3, ThCl 3 et BCl 3. Exercices d entraînement 19. a. La configuration électronique de l oxygène est la suivante : (K) 2 (L) 6. L ion oxyde forme l ion O 2-. b. Mg forme l ion Mg 2+. c. Formule brute de la magnésie : MgO. d. Formule brute de l oxyde de sodium : Na 2 O. 20. a. La structure électronique de l atome de chlore est la suivante : (K) 2 (L) 8 (M) 7. b. Le brome appartient à la même famille que le chlore, il contient donc 7 électrons sur sa couche externe.. Nathan 2010 10
c. Cl forme facilement Cl - ; par analogie de propriétés chimiques, Br forme facilement Br -. d. Na forme Na +, c'est un alcalin. e. K est également un alcalin, il forme K +. 21. a. O est situé sur la deuxième période et dans la 16 e colonne de la classification périodique : il forme facilement O 2-. b. L'entité X 2 O 3 est neutre, donc l'élément X forme facilement l'ion X 3+. c. X appartient donc à la troisième colonne. d. Q = Z' e, avec Z' le nombre d'électrons de l'ion X 3+. L'ion X 3+ possède trois charges positives, donc Z = Z' + 3. Z = 13, X est donc l'aluminium, de symbole Al. 22. a. Le rayon atomique peut être assimilé à la distance entre le noyau et la couche électronique externe. b. Il y a des discontinuités dans l'évolution du rayon atomique lorsque le numéro atomique augmente. c. Au sein d'une famille ({Li, Na, K} par exemple), le rayon atomique augmente. La couche externe est (L), puis (M) : elle est de plus en plus éloignée du noyau d'après la structure en «oignon» de l'atome. d. Sur une période, le rayon atomique diminue ; en effet, la couche électronique externe reste la même, mais le noyau possède de plus en plus de protons ; la couche est alors de plus en plus attirée par ce noyau et s'en rapproche. 23. a. L élément lithium appartient à la première colonne de la classification, c'est donc un alcalin. Il appartient à la deuxième période, sa couche externe est donc la couche (L). b. Br est un halogène, il appartient à l'avant-dernière colonne : il possède 7 électrons sur sa couche externe. c. Li forme Li + ; Br forme Br -. d. L ion magnésium conduit facilement à la formation de l ion Mg 2+, il perd facilement deux électrons, il appartient donc à la deuxième colonne. e. Cl forme Cl -. f. MgCl 2 ; LiBr. g. LiCl 2.. Nathan 2010 11
Culture scientifique et citoyenne Exercer son esprit critique On remarque que le phosphore P est situé dans la colonne qui suit le silicium Si, et que le bore est situé dans la colonne qui précède Si. Ainsi, le bore possède un électron de moins que le silicium sur sa couche externe ; le phosphore en possède un de plus. Par rapport au silicium, le phosphore possède un excès d'électrons, ce qui correspond à un dopage N. Par rapport au silicium, le bore possède un défaut d'électrons, ce qui correspond à un dopage P.. Nathan 2010 12