Les tendances périodiques expliquées
Le tableau périodique organise les éléments de sorte que les motifs récurrents (périodiques) s'alignent en colonnes et en lignes. Voici les tendances que tout élève de chimie est censé connaître — et chacune découle directement de la structure électronique.
Rayon atomique
r: → decreases · ↓ increases
Le rayon atomique diminue le long d'une période, de gauche à droite, car chaque proton ajouté augmente la charge nucléaire qui attire des électrons situés tous dans la même couche. Il augmente de haut en bas d'un groupe, car chaque nouvelle période ajoute une couche électronique entièrement nouvelle et plus grande. Le césium et le francium comptent parmi les plus gros atomes ; l'hélium est le plus petit.
Électronégativité
χ: → increases · ↓ decreases (max: F = 3.98)
L'électronégativité — la force avec laquelle un atome attire les électrons de liaison partagés — augmente le long d'une période et diminue de haut en bas d'un groupe, à l'inverse du rayon atomique. Le fluor est l'élément le plus électronégatif (3,98 sur l'échelle de Pauling) ; les métaux alcalins en bas à gauche sont les moins électronégatifs. De grandes différences d'électronégativité entre deux atomes liés produisent des liaisons ioniques ; de faibles différences donnent des liaisons covalentes.
Énergie d'ionisation
IE₁: → increases · ↓ decreases
La première énergie d'ionisation est l'énergie nécessaire pour arracher l'électron le plus externe. Elle augmente le long d'une période (les électrons sont retenus plus fermement par la charge nucléaire croissante) et diminue de haut en bas d'un groupe (les électrons externes sont plus éloignés du noyau et écrantés par les couches internes). Les gaz nobles se situent aux sommets ; les métaux alcalins dans les creux, ce qui explique pourquoi les métaux alcalins perdent si facilement un électron pour former des ions +1.
Affinité électronique
EA: highest at the halogens
L'affinité électronique est l'énergie libérée lorsqu'un atome gagne un électron. Les halogènes ont les valeurs les plus élevées — le chlore est en tête — car l'ajout d'un seul électron complète leur couche externe. Les gaz nobles ont une affinité pratiquement nulle : leurs couches sont déjà pleines, si bien qu'un électron supplémentaire devrait entamer une nouvelle couche de haute énergie.
Caractère métallique
metallic character: → decreases · ↓ increases
Le caractère métallique — la tendance à perdre des électrons et à former des ions positifs — augmente de haut en bas d'un groupe et diminue le long d'une période, à l'opposé de l'électronégativité. Les éléments les plus métalliques se situent en bas à gauche ; les plus non-métalliques en haut à droite. Les métalloïdes (bore, silicium, germanium, arsenic, antimoine, tellure) forment un escalier diagonal qui marque la frontière floue entre métaux et non-métaux.
Les blocs s, p, d et f
s=2 · p=6 · d=10 · f=14 electrons
Le tableau est divisé en blocs selon la sous-couche en cours de remplissage. Le bloc s (deux colonnes) et le bloc p (six colonnes) constituent les éléments des groupes principaux ; le bloc d (dix colonnes) contient les métaux de transition ; et le bloc f (quatorze colonnes) — les lanthanides et les actinides — est extrait sous le tableau pour en préserver la lisibilité. Les largeurs des blocs correspondent exactement aux capacités électroniques des sous-couches s (2), p (6), d (10) et f (14).
Les familles d'éléments
Colorer le tableau par famille regroupe les éléments qui se comportent de la même façon. Voici ce que signifie chaque couleur.
- Métal alcalin — Métaux mous, argentés et extrêmement réactifs, dotés d'un seul électron de valence ; ils réagissent vigoureusement avec l'eau.
- Métal alcalino-terreux — Métaux réactifs à deux électrons de valence ; plus durs et moins réactifs que les métaux alcalins.
- Métal de transition — Métaux durs et denses qui forment des composés colorés et de multiples états d'oxydation ; ils remplissent la sous-couche d.
- Métal pauvre — Métaux plus mous situés à droite du bloc de transition, comme l'aluminium, l'étain et le plomb.
- Métalloïde — Éléments le long de l'escalier, aux propriétés intermédiaires ; le silicium et le germanium sont à la base des semi-conducteurs.
- Non-métal réactif — Non-métaux réactifs, dont les briques du vivant — carbone, azote, oxygène, phosphore et soufre.
- Halogène — Non-métaux très réactifs du groupe 17 qui gagnent facilement un électron pour former des ions −1 et des sels.
- Gaz noble — Gaz inertes du groupe 18 aux couches externes pleines ; ils ne réagissent quasiment jamais.
- Lanthanide — Les terres rares du bloc 4f, essentielles aux aimants, aux lasers et aux luminophores.
- Actinide — Les métaux du bloc 5f, tous radioactifs, dont l'uranium et le plutonium.
- Propriétés inconnues — Éléments synthétiques superlourds dont les propriétés chimiques sont prédites mais pas encore entièrement mesurées.
Questions fréquentes
Comment lit-on le tableau périodique ?
On le lit de gauche à droite et de haut en bas, par ordre croissant de numéro atomique (le nombre de protons). Chaque ligne est une période et chaque colonne un groupe. Les éléments d'un même groupe partagent le même nombre d'électrons sur leur couche externe et se comportent donc chimiquement de façon semblable. La case d'un élément indique son numéro atomique, son symbole et sa masse atomique.
Qu'est-ce qu'une configuration électronique ?
Une configuration électronique indique comment les électrons d'un atome sont répartis entre ses couches et sous-couches ; par exemple, le carbone est 1s² 2s² 2p². Elle suit le principe de l'aufbau — les électrons remplissent d'abord les sous-couches de plus basse énergie. Cet outil affiche la configuration abrégée en notation gaz noble ainsi qu'un diagramme des couches de Bohr pour chaque élément.
Pourquoi les tendances périodiques se produisent-elles ?
Parce que le comportement chimique est régi par les électrons les plus externes et par la force avec laquelle le noyau les retient. Parcourir une période ajoute des protons sans ajouter de nouvelle couche, si bien que les atomes deviennent plus petits et retiennent leurs électrons plus fermement. Descendre dans un groupe ajoute des couches entièrement nouvelles, si bien que les atomes deviennent plus gros et retiennent leurs électrons externes plus faiblement.
Quelle est la différence entre un groupe et une période ?
Un groupe est une colonne verticale (il y en a 18) et une période est une ligne horizontale (il y en a 7). Les groupes rassemblent des éléments à la chimie semblable ; les périodes suivent le remplissage progressif d'une nouvelle couche électronique. Le numéro en tête d'une colonne de groupe principal est égal au nombre d'électrons de valence.
Où se trouvent les métaux et les non-métaux ?
Les métaux occupent la gauche et le centre du tableau — la grande majorité des éléments. Les non-métaux se regroupent en haut à droite, avec les gaz nobles dans la dernière colonne. Un escalier diagonal de métalloïdes (bore, silicium, germanium, arsenic, antimoine, tellure) sépare les deux, montrant des propriétés qui se mêlent progressivement.
Quels éléments sont liquides à température ambiante ?
Seuls deux éléments sont liquides à 25 °C (298 K) : le mercure et le brome. Le gallium et le césium fondent juste au-dessus de la température ambiante (environ 30 et 28 °C). Utilisez le mode État à T pour voir comment le nombre de solides, de liquides et de gaz change lorsque vous augmentez ou diminuez la température.
Problème entièrement résolu
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Le carbone à 12,011 u reconstitué à partir des isotopes 12 C et 13 C 5 étapes
La fiche de l'élément donne au carbone une masse atomique de 12,011 u, et aucun atome de carbone ne pèse cela. Il s'agit de l'état Détail du carbone. Reconstruisez ce chiffre à partir des deux isotopes contenus dans un échantillon terrestre — 12C avec une abondance de 98,93 %, 13C à 13,00335 u et 1,07 % — puis calculez l'effet de ces 1,07 % sur une molécule comportant 60 atomes de carbone.
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Commencez par l'unité, car l'une de ces deux masses n'a jamais été mesurée. L'unité de masse atomique unifiée est définie comme un douzième d'un atome de 12C, donc le 12C pèse exactement 12 u, avec autant de décimales que l'on veut écrire. Seule la valeur du 13C provient d'une expérience.
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La masse figurant dans le tableau est une moyenne sur les isotopes pondérée par le nombre d'atomes de chacun contenus dans un échantillon. Pondérez plutôt par la fraction massique et vous obtiendrez un nombre différent et incorrect.
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C'est la valeur figurant sur la fiche, reconstruite à partir des masses des deux isotopes et d'une mesure d'abondance.
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Examinez maintenant ce que la moyenne n'est pas. 98,93 % des atomes de carbone se situent 0,011 u en dessous de la valeur affichée et les 1,07 % restants se situent 0,992 u au-dessus. La moyenne tombe dans un intervalle où aucun atome n'existe.
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Placez 60 de ces atomes dans une seule molécule. Le nombre espéré de 13C est 60 × 0,0107 = 0,642, ce qui incite à conclure qu'un buckyball typique contient un atome lourd. Ce n'est pas le cas : la loi binomiale donne 52,4 % de molécules n'en portant aucun contre 34,0 % en portant exactement un.
Réponse
12,011 u — une masse qu'aucun atome de carbone ne possède. Le C60 n'a donc pas une masse, il a un spectre : 52,4 % des molécules pèsent exactement 720,000 u, 34,0 % pèsent 721,003 u, 10,9 % pèsent 722,007 u, et l'échelle se poursuit avec des échelons espacés de 1,00335 u. Multiplier 60 par 12,011 prédit 720,66 u, ce qui n'est la masse d'aucune molécule de l'échantillon. Extrapolez ce même calcul à une protéine contenant 1000 atomes de carbone, et 0,98931000 = 2,1 × 10⁻⁵ des molécules sont dépourvues de 13C — 2 sur 100 000, de sorte que la raie tout-12C a pratiquement disparu et que l'enveloppe est la seule chose qu'il reste à peser. Chaque masse de ce tableau est une affirmation sur une population, et plus la molécule construite est grande, plus la population est la seule chose que l'on puisse observer.
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Références (2)
- Insight block 4 credits the table with predicting elements. Three of them, and how they were found: M. V. Orna & M. Fontani, "Discovery of Three Elements Predicted by Mendeleev’s Table: Gallium, Scandium, and Germanium", in Perspectives on the History of Chemistry, 227–257. Springer, 2021.
- And the other half of that record, which the story usually leaves out: G. Lente, "Where Mendeleev was wrong: predicted elements that have never been found." ChemTexts 5, article 17, 2019.