CONFIGURATION
ÉLECTRONIQUE DES ÉLÉMENTS
LA CLASSIFICATION PÉRIODIQUE
Chapitre 8
hn
Préambule
Puisque les nombres quantiques et les règles qui les régissent (règle de HUND, principe d’exclusion de
PAULI) demeurent toujours valides, comment peut-on décrire schématiquement l’ensemble des éléments
chimiques connus ?
Question fondamentale, elle a préoccupé les scientifiques très rapidement alors que la connaissance des éléments s’affinait avec le temps. On devine que si les premières classifications reposaient sur les propriétés physico-
chimiques observées, la mécanique quantique est venue apporter d’autres modes de justification.
Historique
de la classification périodique
• Vers 1820-1830, DÖBEREINER groupa les éléments dont les propriétés étaient similaires par trois et par ordre de poids atomique : les triades.
• En 1830, DUMAS propose de regrouper les éléments par famille : celle du chlore, du brome, de l’iode, celle de l’oxygène, du soufre, du sélénium ...
• NEWLANDS, par analogie avec la gamme musicale, propose un arrangement en octaves.
• L’idée de périodicité prend son aspect quantitatif (et perd son aspect poétique ou musical) avec LOTHAR
hn
La classification moderne
L’idée moderne du tableau périodique apparaît définitivement en 1869.
À ce moment, on connaissait 63 éléments.
MENDÉLÉIEFF les organisa en posant sur une même ligne et par ordre croissant de poids
atomique les éléments aux propriétés semblables.
Le tableau de MENDÉLEIEFF
hn
La classification moderne
On remarque aussi que l’antimoine et l’étain sont inversés, par rapport à leur position réelle et que le tellure et l’iode, bien placés, sont inversés par
rapport à leur poids atomique.
Le tableau présente des anomalies. Tout d’abord, il y a des cases inoccupées. MENDÉLÉIEFF
propose qu’il doit exister des corps simples encore inconnus pour occuper ces espaces vides.
Éka-silicium et germanium
Élément Éka-silicium Germanium Poids atomique
Densité Couleur
Oxyde Chlorure T. ébullition
70 5,5
gris poussière EkO2
EkCl4
< 100 C
72,6 5,47 gris blanc
GeO2 GeCl4
86 C
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L’ajout des gaz rares
Lorsqu’en 1895, RAMSAY découvre l’argon et l’hélium, la classification de MENDÉLÉIEFF est brutalement remise en cause puisque aucune place n’est réservée à ces deux gaz rares.
RAMSAY proposa alors d’ajouter une nouvelle
colonne pour le groupe zéro et il fut amené à prévoir trois autres éléments qu’il allait bientôt isoler : le
néon, le krypton et le xénon.
Des tableaux périodiques bidimensionnels ainsi que tridimensionnels ont aussi été proposés.
Le tableau de ZMACZYNSKY
1937
hn
L e ta bl ea u de S T O W E
L e ta bl ea u de B E N F R E Y
hn
os it io n re la ti ve d es n iv ea ux
Principe d’exclusion de PAULI
Chaque orbitale définie par n, et m ne peut recevoir que deux électrons dont les spins sont antiparallèles.
Le spin de chaque électron ne peut prendre que les deux positions possibles par rapport au moment cinétique total de l’orbitale.
Un électron seulement possède une série de valeurs des nombres quantiques n, , m, s qui
hn
Orbitales possibles pour un électron
Couches K L
n 1 2
0
s
0 s
1 p m
s = 1/2
0
0
-1 0 +1
Sous-couches K L1 L2
Nombre d' e 2 2 6
La Règle de HUND
Dans le cas où une sous-couche est incomplète, les électrons se disposent de manière à réaliser le maximum d’états à spins parallèles :
Au lieu de on a
m 1 0 +1 1 0 + 1
Cas de N s
hn
R em pl is sa ge de s or bi ta le s
2px
2py 2pz
1s 2s
Le symbole de l’état fondamental de l’atome (niveau d’énergie le plus bas) prend le nom de terme fondamental.
Les sous-couches sont complètes : les moments
orbitaux individuels des électrons s’arrangent pour donner un moment orbital total nul.
L’état fondamental est donc 1S0.
C’est le cas des gaz rares : les couches sont
L’arrangement
des moments cinétiques
hn
Les sous-couches sont incomplètes : les électrons se disposent de manière à réaliser le nombre
maximum d’états à spins parallèles (règle de HUND).
Cette règle est évidemment importante en ce qui concerne la valence des éléments.
L’arrangement
des moments cinétiques
R em pl is sa ge de s or bi ta le s
Énergie5 G
2 S
2 P
3 D 5 S
= 0 = 1 = 2 = 3 = 4
4 S
3 S 3 P
()5 4 F
()5 ()7
Notation :
hn
Un tableau périodique simple
Lanthanides Actinides
Potentiels d’ionisation
La valeur du potentiel d’ionisation renseigne sur l’énergie de liaison de l’électron périphérique.
Le graphe des potentiels d’ionisation en fonction du numéro atomique montre la présence de
maxima pour les gaz rares et de minima pour les alcalins.
L’effet d’écran créé par les électrons intérieurs
explique la faible énergie d’ionisation des alcalins.
hn
Potentiel d’ionisation et valeurs de Z
He Ne
A
Kr Xe
Li Na K Rb Cs
L’ionisation du potassium
19 protons
19 électrons Atome :
charge nulle
18 électrons Atome : 1
charge +
hn
Conclusion
Les premiers essais de classification sont apparus vers 1830. Vers 1860, MENDÉLÉIEFF allait
proposer les bases modernes du tableau périodique qui porte son nom.
Non seulement était-ce un outil de synthèse remarquable, mais il allait servir de base à la
recherche d’éléments alors inconnus. La mécanique quantique vient ensuite identifier complètement la structure de chacun des atomes et confirmer la
démarche de la construction du tableau périodique.
