Classification périodique des éléments



1. La démarche de Mendeleïev pour établir sa classification ; son génie, ses erreurs.

Comment Mendeleïev a t-il procédé pour établir sa classification ?

1ère étape : Tri des éléments par masse croissante.
Il a pris l'hydrogène qui est l'élément le plus léger connu, comme point de départ en écrivant H = 1.

Il a comparé la masse du carbone par rapport à la masse de l'hydrogène et s'est apperçu que le carbone était 12 fois plus lourd. Il a donc écrit C = 12.
De même avec l'oxygène qui était 16 fois plus lourd que l'hydrogène, il a écrit O = 16, et ainsi de suite avec tous les éléments qu'il connaissait.

Au final avec les éléments connus à l'époque, sa liste ressemblait donc à ceci :


Les numéros inscrits sont nommés aujourd'hui les masses molaires (en g . mol-1)


2ème étape : Arrangement périodique.

Mandeleïev savait que certains éléments réagissaient chimiquement de la même façon. On pouvait donc créer des familles chimiques au comportement identique. En 1850 on comptabilisait environ une vingtaine de ces familles auxquelles on donnait le nom de triades.
Le plus intéressant était que ces comportements se retrouvaient de manière répétée au fur et a mesure de l'avancement de sa liste. Il y avait donc une périodicité des phénomènes.

Pour simplifier imaginons que chaque point placé sur la droite ci-dessous (Fig.1.) représente un élément chimique. on a relié d'une même couleur les points (les éléments) faisant partie d'une même famille (comportement chimique identique).


Fig.1. Liens de couleur par famille

Si on sectionne la liste en tronçons (coupure au niveau des pointillés mauve) et que l'on fait pivoter chaque tronçon afin de les mettre verticaux et a proximité l'un de l'autre (Fig.2.) ...


Fig.2. Rotation des tronçons

... on découvre alors que les éléments chimiques se retrouvent regroupés sur chaque ligne horizontale, par famille (Fig.3.). La hauteur d'une colonne représente la période (en nombre d'éléments).


Fig.3. Alignement des familles


En 1869, de nombreux éléments chimique étaient encore inconnus. Le tableau d'éléments comportait donc des trous qui remettaient en cause la méthode de classification. Cependant Mandeleïev était persuadé que les trous cachaient les éléments à découvrir, l'avenir allait lui donner raison.

Découvrons maintenant une reproduction partielle de la classification écrite par Mandeleïev (Fig.4). On notera que les éléments inconnus sont représentés par des points d'interrogation, mais que Mandeleïev a déjà pu écrire les masses molaires de ces éléments vraisemblablement par déduction en les comparant avec les éléments voisins connus.


Fig.4. Reproduction partielle d'une classification établie par Dmitri Mandeleïev


On retrouve bien dans ce document les arangements par famille, mais si on le compare aux tableaux de classifications actuels , nous découvrons alors des différences ! Les couleurs permettent de repérer plus facilement ces anomalies (Fig.5.), dont nous laissons le soin aux lecteurs d'en faire l'analyse.


Fig.5. Mise en évidence des différences


Mendeleïev a proposé une classification des éléments en utilisant les propriétés connues à son époque. Celle-ci a joué un grand rôle dans l’organisation et l’évolution des connaissances et diffère peu de la classification actuelle. Découvrons maintenant cette classification.



2. Les critères actuels de la classification :
 nombre atomique Z et électrons de la couche externe.

La classification actuelle des éléments les ordonnes par numéro atomique Z croissant (Fig.6.), au lieu de les classer par masses croissantes.
En pratique le classement n'est que très peu modifié. Cependant l'utilisation du numéro atomique permet une numérotation plus simple (nombre entier), et donne surtout la certitude de ne pas oublier un élément (Après l'Hydrogène Z = 1, on a l'Hélium Z = 2, puis l'élément suivant Z = 3, etc.). Notez que le numéro atomique Z figure en bas à gauche de chaque élément.


Fig.6. Classement par numéro atomique Z croissant

Horizontalement on trouve le classement par couche électronique. La première ligne contient les atomes (Hydrogène et Hélium) qui ne possèdent qu'une couche d'électrons (couche K). La deuxième ligne contient les atomes à deux couches (K + L) et ainsi de suite jusqu'à la dernière ligne (Fig.7.).


Fig.7. Classement horizontal par couches électroniques

Dans la classification actuelle, les familles sont rangées verticalement, ce qui diffère du classement horizontal de Mandeleïev. Toutefois nous allons découvrir une innovation très importante pour le chimiste :
A chaque colonne correspond un nombre d'électrons présent sur la couche externe. (Voir Fig.8.). Or nous savons aujourd'hui que c'est la connaissance du nombre d'électrons sur la couche externe qui permet de prévoir le comportement chimique de l'élement.


Fig.8. Classement vertical, par familles et nombre d'éléctrons sur la couche externe



3. Les familles d'éléments chimiques

Découvrons maintenant quelques familles chimiques.

3.1. La famille des alcalins

A l'exception de l'hydrogène, les éléments de la première colonne appartiennent à la famille des alcalins.


Ces éléments possèdent tous un électron sur leur couche externe. Ils ont donc tendance a le perdre en devenant des ions +.

les 3 premiers alcalins sont le Lithium (Li), le Sodium (Na), et le Potassium (K)
dans l'eau, ils forment les ions correspondant Li+, Na+, et K+, qui sont responsables du goût salé.

A l'état de corps pur simple :

3.2. La famille des halogènes

Les halogènes sont les éléments de la colonne XVII


Ces éléments possèdent tous 7 électron sur leur couche externe. Ils ont donc tendance à en capturer un en devenant des ions -.

les halogènes les plus connus sont le Fluor (F), le Chlore (Cl), le Brome (Br), et l'Iode (I)
dans la nature, on les rencontre sous la forme ionique : fluorure (F-), chlorure (Cl-), bromure (Br-), et iodure (I+).

On les trouve aussi sous la forme de molécules diatomiques :
  • le difluor F2 (gazeux*)
  • le dichlore Cl2 (gazeux*)
  • le dibrome Br2 (liquide*)
  • le diiode I2 (solide*)
* au conditions de températures
et de pressions normales.

Ces espèces chimiques sont très colorées et très toxiques.

3.3. La famille des gaz nobles

Les gaz nobles sont les éléments de la dernière colonne (XVIII)


leur couche électronique externe est saturée, ce qui les rend très stables. Ils ne forment pas d'ions ni de molécules, sauf rares exceptions.

On trouve l'hélium (He), le Néon (Ne), l'Argon (Ar), le Krypton (Kr), le Xénon (Xe) et le Radon (Rn)

Ce sont des gaz qui sont en toute petite quantité dans notre atmosphère. Par contre l'hélium est très abondant dans les étoiles car il est le résultat de la fusion de l'hydrogène (matière première et carburant, des étoiles).


Fig.9. Dirigeable militaire gonflé à l'helium