La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

20Le tableau périodique : un premier regard

Au mur de presque toutes les salles de chimie est accroché le même tableau : 118 cases, chacune portant un symbole et un nombre, rangées en lignes et en colonnes selon une forme étrange — de hautes tours sur les côtés, un creux au milieu, deux lignes détachées en dessous. Quand il fut dressé pour la première fois, en 1869, il comptait une soixantaine de cases, dont plusieurs vides. Son auteur eut l’audace de décrire les éléments qui viendraient un jour combler les trous — et il avait raison.

Rappel

Un élément chimique est l’ensemble des atomes qui ont le même numéro atomique $Z$ , le nombre de protons du noyau (Chapitre 16). Chaque élément a un symbole, une lettre majuscule parfois suivie d’une minuscule (Chapitre 11). Les métaux comme le fer, le zinc et l’aluminium donnent des ions positifs (Chapitre 17).

20.1 Un tableau des éléments

Définition 20.1 (Tableau périodique)

Le tableau périodique range tous les éléments chimiques par numéro atomique croissant, de $Z = 1$ à $Z = 118$ , en lignes disposées de sorte que les éléments aux propriétés semblables se retrouvent dans la même colonne.

Définition 20.2 (Période et groupe)

Une ligne du tableau périodique est une période ; il y en a sept. Une colonne est un groupe ; il y en a dix-huit, numérotés de 1 à 18 de gauche à droite. Les deux lignes imprimées sous le tableau appartiennent aux périodes 6 et 7 ; on ne les met à part que pour garder un tableau étroit.

Le tableau périodique. Chaque case donne le numéro atomique et le symbole. Couleurs : les métaux, les métalloïdes (éléments intermédiaires entre métaux et non-métaux) et les non-métaux, selon la classification habituelle.

Méthode 20.3 (Lire le tableau périodique)

Pour situer un élément :

trouver sa case grâce à son symbole ou à son numéro atomique ;
sa ligne donne sa période, sa colonne son groupe ;
sa couleur indique s’il s’agit d’un métal ou d’un non-métal.

Le sodium, $\ce{Na}$ , $Z = 11$ : période 3, groupe 1, un métal. Le chlore, $\ce{Cl}$ , $Z = 17$ : période 3, groupe 17, un non-métal.

20.2 Métaux et non-métaux

Définition 20.4 (Métal et non-métal)

Un métal est un élément qui, à l’état de corps pur, est brillant quand on vient de le couper, conduit bien l’électricité et la chaleur, peut être plié ou mis en forme au marteau, et forme des ions positifs. Un non-métal n’a pas ces propriétés : beaucoup sont des gaz (le dioxygène, le diazote, le dichlore), ceux qui sont solides sont ternes et cassants (le soufre, le carbone sous forme de charbon), et ils tendent à former des ions négatifs ou à mettre en commun des électrons dans des molécules.

Proposition 20.5 (Où ils se trouvent)

Environ quatre éléments sur cinq sont des métaux ; ils occupent la gauche et le centre du tableau. Les non-métaux se trouvent en haut à droite, avec l’hydrogène seul en haut à gauche. Le long de la frontière entre les deux, quelques éléments — le bore, le silicium, le germanium, l’arsenic, l’antimoine, le tellure — ont des propriétés intermédiaires : ce sont les métalloïdes.

20.3 Des colonnes qui se ressemblent

Proposition 20.6 (Les éléments d’un groupe se comportent de façon semblable)

Les éléments d’un même groupe réagissent de façon semblable et forment des composés semblables. Le lithium, le sodium et le potassium, en haut du groupe 1, sont des métaux mous qui réagissent avec l’eau en dégageant du dihydrogène ; la réaction est plus violente quand on descend dans le groupe. Le fluor, le chlore, le brome et l’iode, du groupe 17, sont des non-métaux colorés qui réagissent avec les métaux pour former des sels. L’hélium, le néon, l’argon et les autres éléments du groupe 18 ne réagissent presque avec rien.

Au laboratoire — Le lithium, le sodium et le potassium dans l’eau

Derrière un écran de protection, l’enseignant laisse tomber un morceau de lithium de la taille d’un grain de riz dans une grande cuvette d’eau : il pétille doucement. Un morceau de sodium de même taille file à la surface en fondant en une bille argentée. Le potassium s’enflamme aussitôt avec une flamme lilas. Tous trois dégagent du dihydrogène et laissent une solution basique.

Sécurité

Le sodium, au contact de l’eau, libère des gaz inflammables qui peuvent s’enflammer spontanément (GHS02) ; il provoque de graves brûlures (GHS05). On le conserve sous huile, et seul l’enseignant le manipule, avec une pince, en tout petits morceaux.

20.4 L’idée de Mendeleïev

Histoire des sciences — Les cases vides de Mendeleïev, 1869–1886

En 1869, Dmitri Mendeleïev rangea les éléments alors connus par masse atomique croissante — la masse de leurs atomes comparée à celle de l’hydrogène — et plaça côte à côte ceux qui avaient des propriétés semblables. Là où la régularité l’exigeait, il laissa des cases vides pour des éléments que personne n’avait encore trouvés, et en 1871 il décrivit leurs propriétés : sous le silicium, un « éka-silicium » dont la masse atomique serait d’environ 72. En 1886, le chimiste Clemens Winkler découvrit le germanium dans un minerai d’argent, mesura sa masse atomique, 72.3, et montra qu’il s’agissait de l’élément manquant. Le gallium (1875) et le scandium (1879) vinrent aussi combler des cases laissées vides par Mendeleïev.

Remarque 20.7 (L’ordre des numéros atomiques)

Mendeleïev rangeait les éléments par masse atomique, et dut intervertir quelques paires, comme le tellure et l’iode, pour garder les familles ensemble. Aujourd’hui, le tableau est rangé par numéro atomique, une notion découverte plus tard, et ces interversions ne sont plus nécessaires.

20.5 Exercices

Exercice 20.1 ★

Dans quel ordre les éléments sont-ils placés dans le tableau périodique ?

Solution

Solution de Exercice 20.1.

Par numéro atomique $Z$ croissant.

Exercice 20.2 ★

Donne la période et le groupe : du carbone ( $Z = 6$ ), du magnésium ( $Z = 12$ ), de l’argon ( $Z = 18$ ).

Solution

Solution de Exercice 20.2.

Le carbone : période 2, groupe 14. Le magnésium : période 3, groupe 2. L’argon : période 3, groupe 18.

Exercice 20.3 ★

Métal ou non-métal : le fer, le soufre, le cuivre, l’oxygène, l’aluminium, le chlore ?

Solution

Solution de Exercice 20.3.

Métaux : le fer, le cuivre, l’aluminium. Non-métaux : le soufre, l’oxygène, le chlore.

Exercice 20.4 ★

Quel élément se trouve juste sous le sodium dans le tableau ? Juste sous le chlore ?

Solution

Solution de Exercice 20.4.

Le potassium ( $\ce{K}$ ) sous le sodium ; le brome ( $\ce{Br}$ ) sous le chlore.

Exercice 20.5 ★★

À l’aide du tableau, nomme l’élément de la période 4 et du groupe 2, et l’élément de la période 2 et du groupe 15.

Solution

Solution de Exercice 20.5.

Le calcium ( $\ce{Ca}$ , $Z = 20$ ) et l’azote ( $\ce{N}$ , $Z = 7$ ).

Exercice 20.6 ★★

Pourquoi peut-on s’attendre à ce que le potassium réagisse avec l’eau, comme le sodium ?

Solution

Solution de Exercice 20.6.

Il est dans le même groupe que le sodium, le groupe 1, et les éléments d’un même groupe se comportent de façon semblable.

Exercice 20.7 ★★

Un élément brillant conduit l’électricité et forme l’ion $\ce{X^{2+}}$ . Est-ce un métal ou un non-métal ? Explique.

Solution

Solution de Exercice 20.7.

Un métal : il est brillant, conduit l’électricité et forme un ion positif.

Exercice 20.8 ★★

Pourquoi Mendeleïev a-t-il laissé des cases vides dans son tableau ? Pourquoi était-ce une force de son tableau plutôt qu’une faiblesse ?

Solution

Solution de Exercice 20.8.

Pour garder dans une même colonne les éléments aux propriétés semblables, même s’il fallait pour cela laisser une case vide. Les cases vides étaient des prédictions : les éléments manquants furent trouvés plus tard, avec les propriétés qu’il avait décrites.

Exercice 20.9 ★★

Regarde le tableau de Mendeleïev de 1869. Quelles masses atomiques donnait-il au carbone et à l’oxygène ? Quelles cases vides, marquées d’un point d’interrogation, apparaissent à côté de l’aluminium et du silicium ?

Solution

Solution de Exercice 20.9.

Le carbone : $\ce{C} = 12$ ; l’oxygène : $\ce{O} = 16$ . Les cases « ? $= 68$ » (à côté de Al $= 27.4$ ) et « ? $= 70$ » (à côté de Si $= 28$ ).

Exercice 20.10 ★★

Combien y a-t-il d’éléments dans la période 2 ? Dans la période 4 ?

Solution

Solution de Exercice 20.10.

Période 2 : 8 éléments (du lithium au néon). Période 4 : 18 éléments (du potassium au krypton).

Exercice 20.11 ★★★

L’hélium, le néon et l’argon ne réagissent presque avec rien. Dans quel groupe sont-ils ? À quoi pourraient-ils servir, compte tenu de cette propriété ?

Solution

Solution de Exercice 20.11.

Le groupe 18. Là où rien ne doit réagir : l’argon des ampoules et des gaz de soudage, l’hélium des ballons (il ne brûle pas).

Exercice 20.12 ★★★

Le gallium, sous l’aluminium, a été découvert en 1875. Mendeleïev lui avait prédit une masse atomique proche de la moyenne de celles de ses voisins l’aluminium (27.0) et l’indium (114.8). Calcule cette moyenne. (Gallium : 69.7.)

Solution

Solution de Exercice 20.12.

$(27.0 + 114.8)/2 = 70.9$ , proche de 69.7.

20.6 Problème : la case vide de Mendeleïev

Problème 20.1

Problème du week-end — prévoir la masse atomique d’un élément manquant à partir de ses quatre voisins

En 1871, Mendeleïev prédit les propriétés de l’éka-silicium, l’élément manquant sous le silicium. L’une de ses idées était que les propriétés d’un élément se situent entre celles de ses voisins du dessus et du dessous, de gauche et de droite. Les masses atomiques actuelles des quatre voisins de la case vide sont : silicium 28.1 (au-dessus), étain 118.7 (au-dessous), gallium 69.7 (à gauche), arsenic 74.9 (à droite).

Partie I — La case vide.

À l’aide du tableau périodique de ce chapitre, trouve le numéro atomique, la période et le groupe du germanium, l’élément qui comble la case vide.
Quel élément est au-dessus de lui, lequel au-dessous, lequel à sa gauche, lequel à sa droite ?
Le germanium est-il un métal, un non-métal ou un métalloïde ?
Pourquoi Mendeleïev s’attendait-il à ce que l’élément manquant ressemble au silicium ?

Partie II — Les moyennes.

Calcule la moyenne des masses atomiques des éléments situés au-dessus et au-dessous de la case vide.
Calcule la moyenne des masses atomiques des éléments situés à gauche et à droite.
Laquelle des deux moyennes est la plus proche de la vraie masse atomique du germanium, 72.6 ? Pourquoi pourrait-il en être ainsi ?
Dans son tableau de 1869, Mendeleïev avait écrit « ? $= 70$ » pour cette case. De combien se trompait-il ?

Partie III — La prédiction.

Calcule la moyenne des quatre voisins, au dixième près.
En 1871, Mendeleïev prédisait 72 ; en 1886, Winkler mesura 72.3. Compare avec ta moyenne.
Pourquoi la découverte du germanium a-t-elle convaincu beaucoup de chimistes que le tableau de Mendeleïev était juste ?
Formule ta prédiction : la masse atomique de l’éka-silicium d’après la moyenne de ses quatre voisins.

Solution

Solution de Problème 20.1.

1. $Z = 32$ ; période 4, groupe 14.

2. Au-dessus : le silicium. Au-dessous : l’étain. À gauche : le gallium. À droite : l’arsenic.

3. Un métalloïde.

4. Il est dans le même groupe que le silicium, et les éléments d’un même groupe se comportent de façon semblable.

5. $(28.1 + 118.7)/2 = 73.4$ .

6. $(69.7 + 74.9)/2 = 72.3$ .

7. La moyenne gauche–droite (72.3) : le long d’une période, la masse atomique augmente régulièrement, d’un élément à l’autre, tandis qu’en descendant un groupe elle fait de grands sauts.

8. $72.6 - 70 = 2.6$ .

9. $(28.1 + 118.7 + 69.7 + 74.9)/4 = 291.4/4 = 72.85$ , soit 72.9.

10. La moyenne, 72.9, est proche à la fois du 72 de Mendeleïev et du 72.3 de Winkler (et de la valeur actuelle, 72.6).

11. Un élément prédit avant que quiconque l’ait vu fut trouvé avec les propriétés annoncées : le tableau n’était pas seulement une liste, il permettait de faire des prédictions.

12. Environ 72.9.

Termes définis dans ce chapitre

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