Chimie 1 Classification périodique des éléments

Chimie 1 Classification périodique des éléments
Lycée Polyvalent de Montbéliard - Physique-Chimie - TSI 1 - 2016-2017
Contenu du programme officiel :
Notions et contenus
Atomes et éléments.
Electrons, protons, neutrons.
Le noyau : nombres Z, A, isotopes.
Nombres quantiques n, `, m` et ms .
Configuration électronique d’un atome et d’un ion monoatomique.
Électrons de cœur et de valence.
Classification périodique des éléments.
Capacités exigibles
- Donner la composition d’un élément à partir de A et Z.
- Comparer les ordres de grandeur de la dimension d’un atome à celle de
son noyau.
- Estimer l’ordre de grandeur de la masse d’un atome.
- Établir un diagramme qualitatif des niveaux d’énergie électronique d’un
atome donné.
- Établir la configuration électronique d’un atome dans son état fondamental (la connaissance des exceptions à la règle de Klechkowski n’est pas
exigible).
- Prévoir la formule des ions monoatomiques d’un élément.
- Relier la position d’un élément dans le tableau périodique à la configuration électronique et au nombre d’électrons de valence de l’atome correspondant.
- Positionner et reconnaître dans le tableau périodique métaux et non
métaux.
- Situer dans le tableau les familles suivantes et énoncer leurs caractéristiques : métaux alcalins, halogènes et gaz nobles.
En gras les points devant faire l’objet d’une approche expérimentale.
Table des matières
1 La structure de l’atome
1.1 Le noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Le nuage électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Les éléments et espèces chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
2
2
2 Les
2.1
2.2
2.3
2.4
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3
3
3
4
5
3 Le tableau périodique
3.1 Généralités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Familles particulières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
6
nombres quantiques
Rappel sur les spectres des atomes . . . . . . . .
Les nombres quantiques n, l, ml et ms . . . . . .
Les configurations électroniques. . . . . . . . . .
État fondamental, excité et ions monoatomique
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La recherche et la classification des différents éléments physiques est une constante de la recherche
humaine. De nombreuses classifications ont été établies puis abandonnées au cours des siècle en lien avec
les avancées scientifiques. La mécanique quantique fournit aujourd’hui les moyens théoriques pour expliquer
la classification utilisée aujourd’hui, celle de Mendeleïev.
1
1.1
La structure de l’atome
Le noyau
Définition. Le noyau d’un atome est composé de nucléons qui sont de deux types
. les protons ;
. les neutrons.
Typiquement, la taille du noyau atomique est de l’ordre de 10−14 m à 10−15 m.
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Chimie 1 : Classification périodique des éléments
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La masse des différents constituants de l’atome vaut pour
. le neutron mn = 1.675 × 10−27 kg ;
. le proton mp = 1.672 × 10−27 kg ;
. l’électron me = 9.109 × 10−31 kg.
On remarque que me mn ≈ mp ≈ mnucleon .
Définition. On définit le nombre de masse d’un noyau noté A comme le nombre de nucléons de celui-ci.
Dans ce cas, la masse m d’un atome sera
m ≈ Amnucleon .
Les neutrons sont des particules électriquement neutre, ainsi la charge du noyau est portée par les
neutrons. On rappelle que le proton porte la charge +e = 1.6 × 10−19 C, l’opposé de la charge d’un électron.
Définition. On note le nombre de proton d’un noyau Z. La charge Q d’un noyau est alors
Q = Ze .
1.2
Le nuage électronique
Chaque atome, dans son état fondamental, est électriquement neutre. Or chaque électron porte la charge
−e (négative).
Propriété. Chaque atome dans son état fondamental est entouré par Z électrons, autant que de protons.
Les électrons ont une énergie très bien définie. La mécanique quantique impose qu’ils soient délocalisés
autour du noyau, ils n’ont pas de position et de vitesse précise définie en chaque instant. L’électron est
donc ainsi délocalisé dans un nuage électronique. Ainsi, une représentation mentale correcte d’un atome
n’est pas la figure 1a mais plutôt la figure 1b.
Nuage électronique
Neutron
•
Neutron
Électron
(a) Mauvaise image d’un atome d’hydrogène.
(b) Image correcte d’un atome d’hydrogène.
Fig. 1 – Bonne et mauvaise représentation mentale d’un atome d’hydrogène.
Propriété. La taille du nuage électronique d’un atome est de l’ordre 100 pm soit 10−10 m. Un atome est
donc essentiellement vide.
Les propriétés chimiques d’un atome sont imposées par certains de ces électrons, ce que nous allons
détailler par la suite.
1.3
Les éléments et espèces chimiques
I Les éléments chimiques
Définition. Un élément chimique regroupe l’ensemble des atomes ou ions qui ont un même nombre de
protons. Ce nombre est le numéro atomique Z.
Il existe 118 éléments chimiques distincts à l’heure actuelle, dont 92 naturels.
Exemple 1 : Exemples d’éléments chimiques identiques :
B l’hydrogène H, l’ion H+ , le deutérieum De (noyau composé d’un proton et d’un neutron) ;
B le calcium Ca, l’ion calcium Ca2+ .
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I Les nucléides
Définition. Un nucléide regroupe l’ensemble des atomes ou ions dont les noyaux ont le même nombre
de protons Z et de neutrons A − Z. On les note
A
ZX
avec X le symbole de l’élément chimique imposé par le nombre de protons, Z le nombre de protons et A
le nombre de nucléons.
Il en existe actuellement environ 1500, dont 300 naturels.
Exemple 2 : H et H+ correspondent au nucléide 11H tandis que le deutérium De correspond
au nucléide 21H.
I Les isotopes
Définition. Les isotopes d’un éléments sont l’ensemble des nucléides avec le même nombre de protons Z
avec avec un nombre de neutrons différents.
Exemple 3 : Les nucléides 11H, 21H et 31H sont des isotopes.
2
2.1
Les nombres quantiques
Rappel sur les spectres des atomes
Le spectre des atomes est quantifié. Ainsi, une raie lumineuse correspond à une transition entre niveaux énergétiques quantifiés d’électrons.
Par exemple, les niveaux d’énergie des électrons autour d’un atome
13.6
d’hydrogène sont donnés par En = − 2 (en électron-Volt). On voit apn
paraître un entier naturel n.
Énergie
E2
E1
E0
Expérience 1 : TP 07 - Spectrométrie
2.2
Les nombres quantiques n, l, ml et ms
Tout comme pour l’hydrogène, tous les niveaux électroniques des atomes et les énergies des électrons
qui correspondent sont définies par des nombres quantiques.
Définition. Les nombres quantiques sont au nombre de 4 :
B Le nombre quantique principal m : c’est un nombre entier non nul qui détermine la couche
quantique.
B Le nombre quantique secondaire l : c’est un nombre entier qui détermine le nombre de niveaux
sur la couche quantique n. Il est défini par 0 ≤ l ≤ n − 1 . L’énergie d’un niveau est définie par le doublet
(n, l).
nombre l
0 1 2 3 4
Ce nombre est noté par une lettre :
Chaque niveau est noté
lettre correspondante s p d f g
nl avec l sous forme de lettre.
B Le nombre quantique magnétique ml : c’est en entier qui détermine le nombre de cases quantiques
dans le niveau quantique (n, l). Il est défini par −l ≤ ml ≤ l .
Dans un même niveau quantique, il y a donc 2l + 1 cases de même énergie, on dit que le niveau est
dégénéré.
1
1
B Le nombre quantique de spin ms : il faut simplement + ou − . C’est une caractéristique purement
2
2
quantique de l’électron.
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Chimie 1 : Classification périodique des éléments
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Remarque : Il est conseillé de construire une phrase mnémotechnique pour retenir l’ordre des
lettres spdf.
Exemple 4 : Prenons la couche n = 2. Sur cette couche, le nombre l peut avoir 0, 1 ou 2, ce
qui fait trois sous-couches notées 2s, 2p et 2d.
Sur la couche s, le nombre s peut valoir uniqument 0, ce qui fait une cases quantiques. On
le représente
.
Sur la couche p, le nombre ml peut valoir -1, 0 ou 1 , ce qui fait trois cases quantiques. On
.
le représente
Sur la couche d, le nombre ml peut valoir -2, -1, 0, 1 ou 2, ce qui fait cinq cases quantiques.
On le représente
.
2.3
Les configurations électroniques
Pour construire les configurations électroniques d’un atome, il faut respecter les trois règles suivantes.
I Le principe d’exclusion de Pauli
Définition. Deux électrons ne peuvent pas être décrits par quatre nombres quantiques identiques.
Autrement dit, pour une case quantique donnée (n, l, ml ), il ne peut y avoir que deux électrons car le
1
quatrième nombre ms ne peut avoir que ± . On représente un électron par une flèche vers le haut ou vers
2
le bas dans une case.
. Deux électrons dans une case quantique :
.
Un électron célibataire dans une case quantique :
I La règle de Klechkowsky
Définition. L’énergie En,l d’un niveau électronique est une fonction croissante de n + l et, pour un même
n + l, une fonction croissante de n.
Autrement dit, les énergies sont classées comme E1,0 < E2,1 < E2,2 < E3,1 <...
Propriété. Pour retenir la construction, on retiendra la construction suivante.
l
n
Énergie des niveaux
5s
5p
5d
5d
4s
4p
4d
3s
3p
3d
4f n + l
fixé
6
2s
2p
4
1s
2
5s
4p
3d
4s
3p
3s
2p
2s
1s
5
3
1
Fig. 2 – Construction du diagramme énergétique
grâce à la règle de Klechkowsky.
Fig. 3 – Le diagramme énergétique grâce à la règle de
Klechkowsky. On indique le nombre de case quantique
pour chaque niveau.
I La règle de Hund
Définition. Pour un atome dans son état fondamental, les électrons se disposent par ordre d’énergie
croissante et, pour des niveaux dégénérés, en occupant le maximum de case avec des électron de spin
parallèles.
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Chimie 1 : Classification périodique des éléments
E
2p
2s
1s
E
E
2p
2s
1s
Carbone : Z = 6
Noté :
Maxime Champion
1s2 2s2 2p2
2p
2s
1s
Azote : Z = 7
Noté :
1s2 2s2 2p3
Oxygène : Z = 8
Noté : 1s2 2s2 2p3
Application 1 : Donner la configuration électronique du gallium Ga (Z = 31) et de l’iode I
(Z = 53).
I Électrons de cœur et de valence
Définition. On appelle
. électrons de valence les électrons sur les dernières couches en cours de remplissage (depuis la dernière
couche s remplie) ;
. électrons de cœur sont les électrons précédents les électrons de valence.
Exemple 5 : Pour le carbone, la partie 1s2 correspond aux électrons de cœur et la partie
2s2 2p2 correspond aux électrons de valence.
2.4
État fondamental, excité et ions monoatomique
Définition. Un atome dans son état fondamental est un atome au repos. Les électrons respectent les
règles de remplissage des couches électroniques décritent ci-dessus.
Définition. Un atome dans un état excité est un atome qui a eu un apport d’énergie. Les électrons
respectent les règles de Pauli et de Klechkowsky mais pas la règle de Hund.
Définition. Un ion monoatomique stable d’un élément est obtenue en ajoutant ou enlevant des électrons
dans la configuration électronique pour gagner en stabilité énergétique. En général, l’ion monoatomique
aura la configuration du gaz noble le plus proche.
Exemple 6 : Le Chlore (Z = 17) a une configuration 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 . Pour remplir la
dernière couche 3p, on lui ajoute un électron ce qui amène à la configuration 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
et l’ion correspondant est le Cl – .
Pour le Sodium (Z = 11), sa configuration est 1s2 2s2 2p6 3s1 . En perdant un électron, il
stabilise sa configuration pour arriver à 1s2 2s2 2p6 d’où l’ion Na+ .
Application 2 : Donner l’ion monoatomique de l’iode (Z = 53), du magnésium (Z = 16) et du
fluor (Z = 9).
3
3.1
Le tableau périodique
Généralités
La construction historique du tableau actuellement utilisée a d’abord été expérimentale. En effet, les
éléments d’une même colonne ont des propriétés physico-chimiques proches. Certains éléments inconnus ont
donc pu être anticipé théoriquement en constatant des trous dans le tableau périodique. La forme actuelle
de la classification date de 1869 et a été réalisée par le chimiste russe Mendeleïev. Un tableau numérique
interactif est disponible sur le site [1]. Le tableau complet est disponible figure 6 page 8.
. Le tableau est composé de 3 blocs principaux représentant les niveaux électroniques s, p et d. Il y a
en tout 18 colonnes (ou familles). Le bloc f , comptant 14 cases, est représenté en dessous par soucis
de place. Un bloc est une couche en cours quantique de remplissage.
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Chimie 1 : Classification périodique des éléments
Bloc s
2 éléments
Valence :
s1 s2 d1
Colonne :
1
2
3
Maxime Champion
Bloc p
d2
d3
d4
4
5
6
Bloc p
10 éléments
d5 d6 d7
7
8
9
d8
d9
d10
p1
p2
10
11
12
13
14
6 éléments
p3 p4 p5
15
16
17
p6
18
. Le tableau est composé de lignes qui commencent pour chaque nouvelle couche s en cours de remplissage.
Les lignes représentent les différentes valeur du nombre quantique principal n.
. Le tableau se remplit par ordre de Z croissant, donc par ordre de masse.
Exemple 7 : Carbone (Z = 6) : 1s2 2s2 2p4 - Dernière couche s apparente : 2s donc ligne 2.
Valence 2s2 2p4 donc colonne 14.
Chrome (Z = 24) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 - Dernière couche s apparente : 4s donc ligne 4.
Valence 4s2 3d4 donc colonne 6.
Application 3 : Donner la position dans le tableau périodique des éléments suivant uniquement à
l’aide de la configuration électronique : gallium, iode, fluor, magnésium.
3.2
Familles particulières
I L’électronégativité
Cette grandeur sans dimension, notée χ, caractérise la tendance d’un élément à attirer les électrons
dans une liaison chimique. Plus χ est grand, plus les électrons auront tendance à se rapprocher de l’élément.
χ
Fig. 4 – Évolution qualitative de l’électronégativité dans le tableau périodique : elle croît le long de la flèche.
Les éléments les plus électronégatifs sont donc en haut à droite du tableau.
D’autres propriétés évoluent dans le tableau périodique, rassemblées sur le site [2].
I Les métaux
Les métaux sont des des solides aux conditions usuelles de température et de pression (sauf le mercure).
Ce sont des bons conducteurs électriques susceptibles de fournir des électrons à la conduction. Ils sont
donc caractérisés par une électronégativité plus faible, inférieure à 2 en général. Au vu de l’évolution de
l’électronégativité, les non métaux sont situés en haut à droite du tableau périodique, auxquels il faut
ajouter l’hydrogène.
Non métaux
Métaux
Semi-conducteurs
Fig. 5 – Les non métaux sont situés en haut à gauche du tableau, plus l’hydrogène. À la frontière, on trouve
les semi-conducteurs. Le reste du tableau est constitué des métaux.
I Colonne 18 : les gaz nobles
Toutes leurs couches électroniques sont remplies. Ce sont des éléments très stables et ils existent majoritairement sous forme gazeuse monoatomique. Par des échanges d’électrons, tous les éléments tendent à
se rapprocher de la configuration électronique du gaz noble le plus proche.
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I Colonne 17 : les halogènes
Ils ont 7 électrons de valence sur les dernières couches s et p, ils captent donc facilement un électron
pour se rapprocher du gaz noble situé à leur droite : F – , Cl – , Br – , etc... Ils sont très électronégatifs.
I Colonne 1 : les métaux alcalins
Ils ont un électron de valence sur une couche s Cet électron se perd facilement pour se rapprocher du
gaz noble le plus proche situé au bout de la colonne de la ligne précédente (un proton de différence) : Na+ ,
K+ , etc...
Ils réagissent violemment [3] avec l’eau.
Expérience 2 : Mélange de sodium dans de l’eau : réaction explosive.
Références
[1] http://www.ptable.com/
[2] http://lycees.ac-rouen.fr/galilee/propriete.html
[3] https://www.youtube.com/watch?v=HvVUtpdK7xw
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Fig. 6 – Le tableau périodique
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