Elément chimique et classification périodique Au cours du dernier TP de chimie, en étudiant divers réaction chimique avec le cuivre, nous avons pu dégager la notion d élément chimique. En voici une définition : Le terme «élément chimique» regroupe tous les atomes ou ions dont le noyau comporte Z protons. Un élément chimique est donc défini par son numéro atomique Z. Ainsi l ion Cu 2+ et l atome Cu comptent tous les deux 63 protons dans leur noyau (Z=63). Ils sont tous deux des représentants de «l élément cuivre», dont le symbole est «Cu». Dans ce TP, on cherche à classer les éléments chimiques les uns par rapport aux autres. I. Famille chimique On constate très tôt que certains éléments possèdent des propriétés assez semblables ; on dit qu ils constituent une famille chimique. 1. La famille des métaux alcalins : Li (Lithium), K (potassium), Na (sodium), Cs (Césium) et Rb (Rubidium) Visualiser la vidéo suivante : http://www.youtube.com/watch?v=qsz-3wscepm Quel est le comportement chimique similaire de ces éléments? 2. La famille des alcalinaux-terreux : B (Bore), Mg (Magnésium) et Ca (Calcium) a. Expériences : Expérience avec l élément Magnésium Retourner 2 tubes à essais remplis d eau sur le cristallisoir Verser environ 3mL d acide chlorhydrique dans le tube à essais vide Déposer 1 morceau de ruban de métal magnésium d environ 2cm sur le haut du tube incliné, en évitant tout contact entre le magnésium et l acide Adapter le tube à dégagement sur le tube à essais puis déclencher la réaction en basculant le tube verticalement
Mise en évidence du gaz formé : le gaz formé est du dihydrogène qui réagit avec le dioxygène lorsqu on approche une allumette ; le gaz explose en émettant une petite détonation (on parle «d aboiement»). Faites le test pour vérifier que le gaz récupéré est bien du dihydrogène Expérience avec l élément Caclium Recommencer l expérience avec un petit morceau de métal calcium b. Observations conclusions : Pourquoi les éléments Ca et Mg appartiennent-ils à la même famille chimique? 3. La famille des halogènes : F (Fluor), Cl (Chlore), Br (Brome), I (iode) a. Expériences : Expérience avec l élément chlorure Introduire environ 2mL de solution de chlorure de sodium (Na + +Cl - ) dan un tube à essais Ajouter environ 1mL de solution de nitrate d argent (Ag + +NO 3 - ) Observer ce qui se passe Expérience avec l élément iodure Introduire environ 2mL de solution d iodure de potassium (K + +I - ) dan un tube à essais Ajouter environ 1mL de solution de nitrate d argent (Ag + +NO 3 - ) Observer ce qui se passe b. Observations - conclusion : Pourquoi les éléments Cl et I appartiennent-ils à la même famille chimique? Remarque : l élément F a le même comportement chimique Ecrire les équations des réactions qui ont eu lieu dans chaque tube à essais. (Indication : les ions chlorure et iodure réagissent avec l ion argent pour donner un composé ionique ) Ag + (aq) + Cl - (aq) Ag + (aq) + I - (aq) Ag + (aq) + F - (aq)
II. La classification de Mendeleïev : 1. Premier critère : En 1869, Dimitri Mendeleïev classe les éléments par numéro atomique croissant. Remarque : à cette époque, les scientifiques ne connaissaient pas la constitution du noyau ; on n avait donc pas défini Z (numéro atomique ; nombre de portons) mais on a classé les différents éléments par masse croissante, ce qui correspond bien à Z (nombre de protons) croissant. 2. Second critère : Pour respecter la similarité des propriétés chimiques des éléments d une même famille, proposer une classification des éléments (sur la table) de façon à ce que les éléments d une même famille soient proches les uns des autres, tout en conservant l ordre imposé par le numéro atomique Z. Appeler le professeur pour vérifier votre classification Remarque : le génie de Mendeleïev consiste à prédire grâce à cette classification, l existence de plusieurs éléments pas encore connus à son époque. III. Répartition électronique des atomes : On se demande maintenant si les connaissances actuelles (résultats de la physique quantique développée au XXème siècle) confirment ou non la classification de Mendeleïev. Pour cela, on s intéresse au cortège d électrons qui existent autour du noyau de l atome. Rappel : il y a autant d électrons autour du noyau de l atome que de protons dans son noyau. Le cortège d électrons compte donc Z électrons. 1. Couches électroniques : Les électrons sont répartis en «couches» autour du noyau ; les électrons d une même couche sont liés de la même manière au noyau. Noms des couches : La couche sur lesquelles on trouve les électrons les plus liés, est la couche K Puis, dans l ordre, on a les couches L, M, N, O. Nombre d électrons sur chaque couche : La couche K admet au maximum 2 électrons ------------ L ------------------------- 8 ----------- ------------ M------------------------- 8 -----------
2. Structure électronique : Les électrons sont d abord répartis sur la première couche (couche K) ; lorsqu elle est saturée, on passe à la couche L et ainsi de suite, jusqu à ce que tous les électrons soient répartis. On obtient alors la structure électronique de l atome, notée de façon suivante : Cas du soufre : S (Z=16) (K) 2 (L) 8 (M) 6 On appelle couche externe la dernière couche remplie. 3. Structure électronique des atomes des 20 premiers éléments de la classification : a. Compléter les cases du tableau construit précédemment en détaillant la structure électronique des atomes correspondant aux 20 premiers éléments du tableau périodique Appeler le professeur pour vérifier b. Que remarque-t-on pour les atomes des éléments d une même colonne? d une même ligne? (Compléter les phrases suivantes) Les atomes d une même colonne ont le même. Les atomes d une même ligne ont le même. A partir des ces observations, reclasser les éléments pour satisfaire entièrement ce critère. Appeler le professeur pour lui présenter la classification c. Conséquences : A quoi correspond le numéro d une colonne? A quoi correspond le numéro d une ligne? d. Quelle est la particularité de la structure électronique des atomes des éléments de la dernière colonne? e. Pour respecter cette dernière propriété, un des éléments du tableau doit être déplacé. Lequel? Modifier le classement en lui donnant sa place. Coller le résultat final ci-dessous.
Al Z=13 N Z=7 Be Z=4 Ca Z=20 B Z=5 C Z=6 Al Z=13 N Z=7 Be Z=4 Ca Z=20 B Z=5 C Z=6 Al Z=13 N Z=7 Be Z=4 Ca Z=20 B Z=5 C Z=6