Introduction à la chimie – cours et laboratoire

Alors que les premiers chimistes travaillaient à purifier les minerais et découvraient plus d’éléments, ils ont réalisé que divers éléments pouvaient être regroupés par leurs comportements chimiques similaires. L’un de ces groupes comprend le lithium (Li), le sodium (Na) et le potassium (K) : Ces éléments sont tous brillants, conduisent bien la chaleur et l’électricité et ont des propriétés chimiques similaires. Un deuxième groupe comprend le calcium (Ca), le strontium (Sr) et le baryum (Ba), qui sont également brillants, bons conducteurs de chaleur et d’électricité, et ont des propriétés chimiques communes. Cependant, les propriétés spécifiques de ces deux groupes sont sensiblement différentes les unes des autres. Par exemple : Li, Na et K sont beaucoup plus réactifs que Ca, Sr et Ba ; Li, Na et K forment des composés avec l’oxygène dans un rapport de deux de leurs atomes pour un atome d’oxygène, alors que Ca, Sr et Ba forment des composés avec un de leurs atomes pour un atome d’oxygène. Le fluor (F), le chlore (Cl), le brome (Br) et l’iode (I) présentent également des propriétés similaires les unes aux autres, mais ces propriétés sont radicalement différentes de celles de n’importe lequel des éléments ci-dessus.

Dimitri Mendeleev en Russie (1869) et Lothar Meyer en Allemagne (1870) ont reconnu indépendamment qu’il existait une relation périodique entre les propriétés des éléments connus à cette époque. Tous deux ont publié des tableaux où les éléments étaient classés par ordre croissant de masse atomique. Mais Mendeleïev est allé un peu plus loin que Meyer : il a utilisé son tableau pour prédire l’existence d’éléments qui auraient des propriétés similaires à celles de l’aluminium et du silicium, mais qui étaient encore inconnus. Les découvertes du gallium (1875) et du germanium (1886) ont largement étayé les travaux de Mendeleïev. Bien que Mendeleïev et Meyer aient eu un long différend sur la priorité, les contributions de Mendeleïev au développement du tableau périodique sont aujourd’hui plus largement reconnues (figure 1).

Figure 1. (a) Dimitri Mendeleïev est largement crédité d’avoir créé (b) le premier tableau périodique des éléments. (crédit a : modification du travail par Serge Lachinov ; crédit b : modification du travail par « Den fjättrade ankan »/Wikimedia Commons)

Au vingtième siècle, il est devenu évident que la relation périodique impliquait des numéros atomiques plutôt que des masses atomiques. L’énoncé moderne de cette relation, la loi périodique, est le suivant : les propriétés des éléments sont des fonctions périodiques de leurs numéros atomiques. Un tableau périodique moderne classe les éléments dans l’ordre croissant de leur numéro atomique et regroupe les atomes ayant des propriétés similaires dans une même colonne verticale (figure 2). Chaque case représente un élément et contient son numéro atomique, son symbole, sa masse atomique moyenne et (parfois) son nom. Les éléments sont disposés en sept rangées horizontales, appelées périodes ou séries, et 18 colonnes verticales, appelées groupes. Les groupes sont étiquetés en haut de chaque colonne. Aux États-Unis, les étiquettes sont traditionnellement des chiffres avec des lettres majuscules. Cependant, l’UICPA recommande d’utiliser les chiffres de 1 à 18, et ces étiquettes sont plus courantes. Pour que le tableau tienne sur une seule page, des parties de deux des lignes, soit un total de 14 colonnes, sont généralement inscrites sous le corps principal du tableau.

Figure 2. Les éléments du tableau périodique sont organisés en fonction de leurs propriétés.

De nombreux éléments diffèrent radicalement dans leurs propriétés chimiques et physiques, mais certains éléments sont similaires dans leurs comportements. Par exemple, de nombreux éléments semblent brillants, sont malléables (capables d’être déformés sans se casser) et ductiles (peuvent être tirés en fils), et conduisent bien la chaleur et l’électricité. D’autres éléments ne sont ni brillants, ni malléables, ni ductiles, et sont de mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité. Nous pouvons trier les éléments en grandes classes aux propriétés communes : les métaux (éléments brillants, malléables, bons conducteurs de chaleur et d’électricité-bleu jaune) ; les non-métaux (éléments qui semblent ternes, mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité-bleu vert) ; et les métalloïdes (éléments qui conduisent moyennement bien la chaleur et l’électricité, et possèdent certaines propriétés des métaux et certaines propriétés des non-métaux-bleu violet).

Les éléments peuvent également être classés en éléments du groupe principal (ou éléments représentatifs) dans les colonnes intitulées 1, 2, et 13-18 ; les métaux de transition dans les colonnes intitulées 3-12 ; et les métaux de transition internes dans les deux rangées en bas du tableau (les éléments de la rangée supérieure sont appelés lanthanides et les éléments de la rangée inférieure sont des actinides ; figure 3). Les éléments peuvent encore être subdivisés en fonction de propriétés plus spécifiques, comme la composition des composés qu’ils forment. Par exemple, les éléments du groupe 1 (première colonne) forment des composés constitués d’un atome de l’élément et d’un atome d’hydrogène. Ces éléments (à l’exception de l’hydrogène) sont connus sous le nom de métaux alcalins, et ils ont tous des propriétés chimiques similaires. Les éléments du groupe 2 (deuxième colonne) forment des composés constitués d’un atome de l’élément et de deux atomes d’hydrogène : On les appelle les métaux alcalino-terreux, dont les propriétés sont similaires parmi les membres de ce groupe. Les autres groupes portant des noms spécifiques sont les pnictogènes (groupe 15), les chalcogènes (groupe 16), les halogènes (groupe 17) et les gaz rares (groupe 18, également appelés gaz inertes). Les groupes peuvent également être désignés par le premier élément du groupe : Par exemple, les chalcogènes peuvent être appelés le groupe oxygène ou la famille oxygène. L’hydrogène est un élément unique, non métallique, dont les propriétés sont similaires à celles des éléments du groupe 1A et du groupe 7A. Pour cette raison, l’hydrogène peut être représenté en tête des deux groupes, ou seul.

Figure 3. Le tableau périodique organise les éléments ayant des propriétés similaires en groupes.

In studying the periodic table, vous avez peut-être remarqué quelque chose à propos des masses atomiques de certains éléments. L’élément 43 (technétium), l’élément 61 (prométhium) et la plupart des éléments de numéro atomique 84 (polonium) et plus ont leur masse atomique indiquée entre crochets. C’est le cas des éléments qui sont entièrement constitués d’isotopes radioactifs instables (vous en apprendrez davantage sur la radioactivité dans le chapitre sur la chimie nucléaire). Il n’est pas possible de déterminer un poids atomique moyen pour ces éléments car leurs radio-isotopes peuvent varier considérablement en termes d’abondance relative, selon la source, ou peuvent même ne pas exister dans la nature. Le nombre entre crochets est le numéro de masse atomique (et la masse atomique approximative) de l’isotope le plus stable de cet élément.

Glossary

actinide: inner transition metal in the bottom of the bottom two rows of the periodic table

alkali metal: élément du groupe 1

métal alcalino-terreux : élément du groupe 2

chalcogène : élément du groupe 16

groupe : colonne verticale du tableau périodique

halogène : élément du groupe 17

gaz inerte : (aussi, gaz noble) élément du groupe 18

métal de transition interne : (aussi, lanthanide ou actinide) élément des deux rangs inférieurs ; s’il est dans le premier rang, aussi appelé lanthanide, de si dans le deuxième rang, aussi appelé actinide

lanthanide : métal de transition intérieur dans le haut des deux rangs inférieurs du tableau périodique

élément du groupe principal : (aussi, élément représentatif) élément des colonnes 1, 2 et 12-18

métal : élément brillant, malléable, bon conducteur de chaleur et d’électricité

métalloïde : élément conduisant modérément bien la chaleur et l’électricité, et possédant certaines propriétés des métaux et certaines propriétés des non-métaux

gaz noble : (aussi, gaz inerte) élément du groupe 18

non métallique : élément d’apparence terne, mauvais conducteur de chaleur et d’électricité

période : (aussi, série) rangée horizontale du tableau périodique

Loi périodique : les propriétés des éléments sont fonction périodique de leurs numéros atomiques.

Tableau périodique : tableau des éléments qui place les éléments ayant des propriétés chimiques similaires proches les uns des autres

pnictogène : élément du groupe 15

élément représentatif : (aussi, élément du groupe principal) élément des colonnes 1, 2 et 12-18

séries : (aussi, période) rangée horizontale du tableau périodique

métal de transition : élément des colonnes 3-11

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