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La classification périodique des éléments
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Au début du XIXe siècle, grâce à la découverte d’une nouvelle technique, la spectroscopie (étude des spectres), le nombre d'éléments connus augmente, les chimistes cherchent alors une classification pertinente de ces éléments. Mais, à cette époque, la structure de l’atome est totalement inconnue. En 1829, Johann Dobëreiner identifie des ensembles de trois éléments de comportement chimique similaire et les nomme triades : triade des halogènes (chlore, brome, iode) et triade des métaux alcalins (lithium, sodium, potassium).
En 1805, John Dalton, introduit l’idée qu’à chaque élément correspond un atome à qui il assigne un « poids atomique » et choisit arbitrairement comme unité de référence le « poids atomique » de l’hydrogène égal à 1. De son côté, vers 1858, l'italien Cannizzaro établit pour tous les éléments connus leur « poids atomique » m. A l’atome de carbone, 12 fois plus lourd que l’atome d’hydrogène, on attribue un « poids atomique » de 12 et on fait de même pour les 63 autres éléments connus à l’époque. Dès lors, toute classification des éléments chimiques se fait par ordre croissant des poids atomiques.
Le 17 février 1869, Dimitri Mendeleïev (ci-contre) classe les éléments verticalement par
« poids atomique » croissant : certaines propriétés se modifient progressivement à mesure que l'on descend dans la colonne, puis subissent une modification brusque (Doc. 2).
A partir de cette modification, Mendeleïev place sur une nouvelle colonne, appelée période, les éléments suivants : ceux-ci ont à nouveau des propriétés très voisines. Mendeleïev
constate ainsi que chaque période débute par un métal alcalin et se termine par un halogène dont les propriétés sont tout à fait différentes. Pour généraliser cette caractéristique il n'hésite pas à inverser le tellure (m = 128) et l'iode (m = 127) pensant qu'il s'agit d'une erreur de détermination du poids. Il laisse en outre des places vides : entre le potassium et le brome, Mendeleïev ne dispose pas d’assez d’éléments connus pour toutes les cases possibles.
Le génie de Mendeleïev consiste à prédire l'existence de trois éléments à découvrir (éka-bore de masse 44, éka-aluminium de masse 68 et éka-silicium de masse 72), ainsi que leurs masses et propriétés chimiques. Le français Lecoq de Boisbaudran, en 1875, mit en évidence le gallium, correspondant aux propriétés de l'éka-aluminium : ce fut la confirmation de l'efficacité du système de Mendeleïev.
D'après La classification périodique des éléments, la merveille fondamentale de l'Univers, P. Depovere Editions de Boeck
On va s’intéresser, dans cette seconde partie, à quelques propriétés chimiques de la triade des halogènes (chlore – brome – iode) et comprendre les observations faites par Mendeleïev grâce à sa classification.
Dans la nature, les éléments chlore (Cℓ), brome (Br) et iode (I) sont présents dans
divers composés ioniques sous forme d’ions à une charge négative « ». Ils peuvent aussi exister sous forme de corps purs simples constitués de molécules diatomiques : Cℓ2, Br2 et I2. Sous cette forme ils sont irritants et toxiques, tandis que sous forme ionique, ils sont relativement inoffensifs.
Listes des réactifs :
La démarche
de Mendeleïe
v
Doc. 1 : Dimitri Mendeleïev (1834 – 1907)
Questions
1) [Doc. 1] Quel fut le premier critère de classification des éléments ?
2) Quel terme utilise-t-on aujourd'hui pour désigner le « poids atomique », second critère de classification dans la classification actuelle ?
3) Pourquoi le numéro atomique Z n’apparait-il pas dans les critères de classification ?
4) [Doc. 1] Pour quelle raison Mendeleïev inverse-t-il le tellure et l’iode ?
5) Recherchez les noms et les symboles des éléments correspondant à l'éka-bore, de masse 44, l'éka-aluminium, de masse 68 et l'éka-silicium de masse 72 ? 6) [Doc. 1 2] Comment Mendeleïev a-t-il situé les uns par rapport aux autres
les éléments chlore (Cℓ), brome (Br) et iode (I) ? Comment sont-ils situés dans la classification actuelle ?
Doc. 2 : La classification de Mendeleïev de 1869
Les
familles
chimiques
Tube n°1 n°2 n°3 n°4
Solution à tester Eau distillée Chlorure de potassium Bromure de potassium Iodure de potassium
Ion testé (tube témoin) Cℓaq Braq Iaq
Avant de commencer les manipulations, lire le protocole ci-dessous et préparer un tableau pour y noter les résultats des tests effectués.
Expérience n°1 :
Protocole expérimental : (les tubes doivent être propres avant de commencer)
Pour chaque solution à tester (voir tableau, ci-dessus), verser environ 2 mL ( 2 cm de liquide dans le tube) de la solution dans un tube à essai ;
Verser lentement, dans chaque tube, 10 gouttes de solution de nitrate d’argent (Ag+(aq) + NO3 (aq)) ;
Observer le contenu de chaque tube après réaction et noter les résultats dans un tableau.
Expérience n°2 :
Protocole expérimental : (les tubes doivent être propres avant de commencer)
Pour chaque solution à tester (voir tableau, ci-dessus), verser environ 2 mL ( 2 cm de liquide dans le tube) de la solution dans un tube à essai ;
Verser lentement, dans chaque tube, 10 gouttes de solution de nitrate de plomb (Pb2+(aq) + 2 NO3 (aq)) ;
Observer le contenu de chaque tube après réaction et noter les résultats dans un tableau.
Expérience n°3 :
Protocole expérimental : (les tubes doivent être propres avant de commencer)
Pour chaque solution à tester (voir tableau, ci-dessus), verser environ 2 mL ( 2 cm de liquide dans le tube) de la solution dans un tube à essai ;
Verser lentement, dans chaque tube, 4 gouttes de solution d’acide sulfurique (2H+(aq) + SO42
(aq)) puis 6 gouttes de solution de permanganate de potassium (K+(aq) + MnO4
(aq)) ;
Placer les tubes au bain-marie (60°C) pendant environ 3 min ;
Observer le contenu de chaque tube après réaction et noter les résultats dans un tableau.
Expérience n°1 :
Protocole expérimental : (les tubes doivent être propres avant de commencer)
Pour chaque solution à tester (voir tableau ci-dessous), verser environ 2 mL ( 2 cm de liquide dans le tube) de la solution dans un tube à essai ;
Verser lentement, dans chaque tube, 10 gouttes de solution de nitrate d’argent (Ag+(aq) + NO3 (aq)) ;
Observer le contenu de chaque tube après réaction et noter les résultats dans le tableau.
Expérience n°2 :
Protocole expérimental : (les tubes doivent être propres avant de commencer)
Pour chaque solution à tester (voir tableau ci-dessous), verser environ 2 mL ( 2 cm de liquide dans le tube) de la solution dans un tube à essai ;
Verser lentement, dans chaque tube, 10 gouttes de solution de nitrate de plomb (Pb2+(aq) + 2 NO3 (aq)) ;
Observer le contenu de chaque tube après réaction et noter les résultats dans le tableau.
Questions
Q1. Comparer les résultats des tubes de l’expérience n°1. Faire de même avec l’expérience n°2.
Q2. Quels ions réagissent avec la solution de nitrate d’argent dans les 3 derniers tubes ?
Q3. D’après ces 2 expériences, quelles sont les similitudes entre les 3 éléments chlore, brome et iode ? Q4. Comment sont situés le chlore, le brome et l’iode dans le tableau périodique actuel ?
Q5. À la lumière de ces expériences, proposer une définition de « famille d’éléments chimiques » ? Q6. À quelle famille chimique appartiennent le chlore, le brome et l’iode ?
Expérience n°3 :
Protocole expérimental : (les tubes doivent être propres avant de commencer)
Pour chaque solution à tester (voir tableau ci-dessous), verser environ 2 mL ( 2 cm de liquide dans le tube) de la solution dans un tube à essai ;
Verser lentement, dans chaque tube, 4 gouttes de solution d’acide sulfurique (2H+(aq) + SO42
(aq)) puis 6 gouttes de solution de permanganate de potassium (K+(aq) + MnO4
(aq)) ;
Placer les tubes au bain-marie (60°C) pendant environ 3 min ;
Observer le contenu de chaque tube après réaction et noter les résultats dans le tableau.
Tube n°1 n°2 n°3 n°4
Solution à tester Eau distillée Chlorure de potassium Bromure de potassium Iodure de potassium
Ion testé (tube témoin) Cℓaq Braq Iaq
Expérience n°1
Expérience n°2
Expérience n°3
CORRECTION
1) Le premier critère de classification des éléments fut le « poids atomique » (lignes 14-15).
2) On utilise aujourd’hui le terme de « masse atomique » (ligne9 : « m »).
3) Cette information (nombre de protons) n'existait pas en 1869 (ligne 3).
4) Mendeleïev inverse le tellure et l’iode pour respecter des ressemblances dans les propriétés chimiques (ligne 19).
5) D'après leurs masses, l’éka-bore correspond au scandium (Sc), l’éka-aluminium au gallium (Ga) et l’éka-silicium au germanium (Ge).
6) Les éléments Cℓ, Br et I appartiennent à une même ligne de la classification de Mendeleïev et à une même colonne de la classification actuelle.
Remarques :
- La notion de triades est intéressante, car elle permet de donner une justification de l’utilisation du mot « périodique » pour cette classification. En effet, si on place sur une seule ligne les éléments des 3 premières colonnes (jusqu’à Ca et avec les ?), on remarque que, le nombre d’éléments chimiques placés entre les éléments de la triade (Li, Na, K) est le même.
- Les colonnes de la classification actuelle des éléments (pour les 63 connus en 1869) correspondent aux lignes de celle de Mendeleïev.
Questions
Q1. Comparer les résultats des tubes de l’expérience n°1. Faire de même avec l’expérience n°2.
Q2. Quels ions réagissent avec la solution de nitrate d’argent dans les 3 derniers tubes ?
Q3. D’après ces 2 expériences, quelles sont les similitudes entre les 3 éléments chlore, brome et iode ? Q4. Comment sont situés le chlore, le brome et l’iode dans le tableau périodique actuel ?
Q5. À la lumière de ces expériences, proposer une définition de « famille d’éléments chimiques » ? Q6. À quelle famille chimique appartiennent le chlore, le brome et l’iode ?
La démarche de Mendeleïev
Expérience n°1 :
Les trois ions précipitent avec le nitrate d’argent, mais les couleurs des précipités diffèrent.
Les ions halogénures, notés X–, réagissent avec l’ion argent selon la réaction suivante :
X–(aq) + Ag+(aq) AgX(s)
Expérience n°2 :
Les trois ions précipitent avec le nitrate de plomb mais les couleurs des précipités diffèrent.
Les ions halogénures notés X– réagissent avec l’ion plomb selon la réaction suivante :
2 X–(aq) + Pb2+(aq) PbX2(s)
Le résultat avec Cℓ– n’est pas détectable à l’œil nu.
Expérience n°3 :
La couleur rose du permanganate disparaît en présence des trois ions.
Une coloration apparaît avec les ions Br– et I–. Les ions halogénures notés X– sont en effet réduits : 10 X–(aq) + 5 MnO4–
(aq) + 16 H+(aq) = 5 X2(aq) + 5Mn2+(aq) + 8 H2O(l)
La couleur de Cℓ2 (aq) n’est pas détectable à l’œil nu. Br2 (aq) est rouge et I2 (aq) orange. La couleur verdâtre de l’eau de chlore n’est pas perceptible.
Réponses aux questions :
Q1. On observe un précipité dans les 3 derniers tubes mais les couleurs des précipités sont légèrement différentes.
Q2. Les ions halogénures (chlorure Cℓ–, bromure Br– et iodure I–) réagissent avec l’ion argent (Ag+) du nitrate d'argent (l'ion potassium ne réagit pas dans le tube 1).
Q3. Ils précipitent tous avec l’ion argent (Ag+), l’ion plomb (Pb2+) et décolorent le permanganate de potassium.
Q4. Le chlore, le brome et l'iode appartiennent à la même colonne de la classification périodique.
Q5. Les éléments chlore, brome et iode sont des éléments d’une famille. Une famille regroupe les éléments qui possèdent des propriétés chimiques semblables, ils sont placés dans la même colonne du tableau périodique. Les membres d'une famille ont des caractères physiques communs. Voilà pourquoi on dit que les éléments chimiques d'une même colonne appartiennent à une même famille.
Q6. Ces 3 éléments appartiennent à la famille des halogènes.
Barème :
Q1. 2 1 pt
Q2. 2 pts
Q3. 2 1 pt
Q4. 0,5 pt
Q5. 2 pts
Q6. 0,5 pt
Séance : 1 pt Rangement de la paillasse et comportement pendant la séance
Les familles chimiques
FICHE TP
Type d’activité : Activité expérimentale (TP 1,5 h)
Conditions de mise en œuvre : manipulation en binômes.
Pré- requis :
Notions d’élément chimique, d’atome et de solution.
Savoir réaliser un test d’identification.
NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES
Classification périodique des éléments.
Démarche de Mendeleïev pour établir sa classification.
Critères actuels de la classification : numéro atomique et nombre d'électrons de la couche externe.
Familles chimiques.
Localiser, dans la classification périodique, les familles des alcalins, des halogènes et des gaz nobles.
Compétence spécifique : -
Compétences transversales : -
Matériel (par table) : - 4 tubes à essais - Bain-marie
- Solution de chlorure de potassium (1,0.10-1 mol.L-1) - Solution de bromure de potassium (1,0.10-1 mol.L-1) - Solution d’iodure de potassium (1,0.10-1 mol.L-1) - Solution de nitrate d’argent (2,5.10-2 mol.L-1)
- Solution de permanganate de potassium (5,0.10-4 mol.L-1)
Bureau professeur :
- Solution d’acide sulfurique (5 mol.L-1)
- Solution de nitrate de plomb (2,5.10-2 mol.L-1) - Eau distillée
Sources de l’activité
Activité 2 p 185 (NATHAN 2nd, Collection SIRIUS)
Activité 4 (manipulation 2) p294-295 (BELIN 2nd, Collection Parisi)
