La classification périodique des éléments qui rassemble tous les éléments chimiques est un outil puissant du chimiste. C'est le chimiste russe Dmitri Mendeleïev qui a, le premier, l'idée d'utiliser la périodicité des propriétés des éléments chimiques pour les classer. Les critères actuels de classification ont évolué et se basent sur la structure électronique des atomes, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques.
Les éléments chimiques qui se comportent chimiquement de manière similaire sont regroupés dans des familles d'éléments. L'utilisation de la classification périodique permet de prévoir simplement les ions et le nombre de liaisons covalentes que forment les éléments chimiques.
L'idée de Dmitri Mendeleïev
Au cours du XIXe siècle, le nombre d'éléments chimiques connus a plus que doublé. En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev est le premier à avoir l'idée de classer dans un tableau la soixantaine d'éléments chimiques alors connus par masse atomique croissante, en regroupant ceux présentant des propriétés chimiques et physiques similaires : en effet, il remarque que ces propriétés reviennent de manière périodique.
Dans son classement, il laisse certaines cases vides et prédit l'existence et les propriétés d'éléments inconnus à l'époque. La découverte, de son vivant, de trois de ces éléments confirmeront l'intérêt de sa classification.
La classification périodique actuelle
Les critères de classification
Les critères utilisés dans la classification moderne des éléments sont :
- Les éléments chimiques rangés par numéro atomique Z croissant.
- Les éléments placés sur une même ligne qui possèdent la même couche externe.
- Les éléments placés sur une même colonne qui ont le même nombre d'électrons sur leur couche externe.
Classification périodique des éléments
Les conséquences de cette construction sont que :
- Chaque ligne, appelée période chimique, correspond à une couche électronique (K, L, etc).
- Chaque colonne regroupe les éléments possédant le même nombre d'électrons sur leur couche externe et appartenant donc à la même famille chimique.
La classification compte ainsi 18 colonnes et 7 lignes. Dans chacune de ces cases, la notation symbolique _{Z}^{A}X, correspondant à l'isotope de l'élément le plus abondant dans la nature, est indiquée. Un espace entre les colonnes du béryllium et du bore est laissé vacant pour rappeler qu'il y a 10 autres colonnes à placer plus bas.
Les familles d'éléments
Dans la classification actuelle, les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons sur leur couche externe, ce qui leur donne des propriétés chimiques analogues : on dit qu'ils appartiennent à la même famille d'éléments chimiques.
Les alcalins
La première colonne de la classification regroupe la famille des métaux alcalins (l'hydrogène étant exclu) : le lithium \ce{Li}, le sodium \ce{Na}, le potassium \ce{K}, etc.
À température ambiante et sous la pression atmosphérique, ce sont des solides gris et mous très réactifs chimiquement. En effet, ils possèdent un unique électron sur leur couche externe et forment facilement des cations portant une seule charge élémentaire ( \ce{Li+}, \ce{Na+}, \ce{K+}, etc).
Les alcalino-terreux
La deuxième colonne de la classification regroupe la famille des métaux alcalino-terreux : béryllium \ce{Be}, magnésium \ce{Mg}, calcium \ce{Ca}, etc.
Comme les alcalins, à température ambiante et sous la pression atmosphérique, ce sont des solides gris et mous, mais ils sont un peu moins réactifs. Ils possédent deux électrons sur leur couche externe et forment facilement des cations portant deux charges élémentaires ( \ce{Be^2+}, \ce{Mg^2+}, \ce{Ca^2+}, etc).
Les halogènes
L'avant-dernière colonne de la classification regroupe la famille des halogènes : fluor \ce{F}, chlore \ce{Cl}, brome \ce{Br}, iode \ce{I}, etc.
Les halogènes sont aussi très réactifs. Ils forment des corps simples colorés, constitués de molécules diatomiques ( \ce{F2}, \ce{Cl2}, \ce{Br2}, \ce{I2},etc) et dont les températures de fusion et d'ébullition augmentent avec leur période.
Ils possédent sept électrons sur leur couche externe et forment facilement des anions portant une seule charge élémentaire ( \ce{F-}, \ce{Cl-}, \ce{Br-}, \ce{I-}, etc).
Les gaz nobles
La dernière colonne de la classification regroupe la famille des gaz nobles : hélium \ce{He}, néon \ce{Ne}, krypton \ce{Kr}, xénon \ce{Xe}, etc.
À température ambiante et sous pression atmosphérique, ce sont des gaz incolores et inodores.
On les appelle également gaz inertes, car ils sont chimiquement très stables et participent à très peu de réactions chimiques, ne forment pas facilement de molécules ou d'ions. Cette stabilité est due à leur structure électronique externe : en duet pour l'hélium et en octet pour les autres.
Les autres colonnes de la classification constituent également des familles, mais elles ne possèdent pas de nom particulier et sont désignées en utilisant le nom du premier élément.
Ainsi, on parle de la famille du bore, de la famille du carbone, etc.
Les utilisations de la classification périodique
Retrouver certaines caractéristiques des éléments chimiques
Chaque case de la classification périodique regroupe des caractéristiques importantes de l'élément chimique considéré, comme son numéro atomique Z, sa masse molaire atomique, parfois l'état physique du corps simple (à 25°C et sous une pression de 1 bar), etc. S'y référer permet donc de trouver rapidement ces informations.
Prévoir les ions monoatomiques formés par des éléments chimiques
Les atomes d'une même famille ayant la même structure électronique sur leur couche externe, forment des ions monoatomiques de même charge électrique.
Les éléments de la famille des alcalins (1re colonne) forment tous des ions portant une seule charge élémentaire ( \ce{Li+}, \ce{Na+}, \ce{K+}, etc).
Il est ainsi possible de prévoir la charge électrique d'un ion que va former un atome de numéro atomique trop grand pour appliquer les règles du duet et de l'octet.
Le numéro atomique Z = 84 du polonium \ce{Po} ne permet pas de déterminer sa structure électronique (elle fait intervenir d'autres couches électroniques que K, L et M).
Cependant, cet élément est dans la même colonne que l'oxygène \ce{O} (Z = 8), de structure électronique (K)2(L)6, qui forme donc l'ion stable \ce{O^2-} en gagnant 2 électrons, d'après la règle de l'octet.
Le polonium formera donc un ion stable de même charge électrique : \ce{Po^2-}.
Prévoir les molécules formées par des éléments chimiques
Les atomes d'une même famille ayant la même structure électronique sur leur couche externe, établissent le même nombre de liaisons covalentes et forment ainsi des molécules analogues.
Les éléments de la famille des halogènes (avant-dernière colonne) établissent tous une seule liaison covalente et forment des molécules qui se ressemblent, par exemple :
- Avec eux-mêmes (corps simples) : \ce{F2}, \ce{Cl2}, \ce{Br2}, \ce{I2}, etc.
- Avec l'élément hydrogène : \ce{HF}, \ce{HCl}, \ce{HBr}, \ce{HI}, etc.
- Avec l'élément oxygène : \ce{F2O}, \ce{Cl2O}, \ce{Br2O}, \ce{I2O}, etc.
Il est ainsi possible de prévoir le nombre de liaisons covalentes que doit établir un élément de numéro atomique trop grand pour appliquer les règles du duet et de l'octet.
Le numéro atomique Z = 33 de l'arsenic \ce{As} ne permet pas de déterminer sa structure électronique.
Cependant, cet élément est dans la même colonne que l'azote N (Z = 7), de structure électronique (K)2(L)5, qui doit donc établir 3 liaisons covalentes, d'après la règle de l'octet.
Il en sera donc de même pour l'arsenic.