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Que nous enseigne le tableau de Mendeleïev ?

Par Yann le 13/02/2018 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Structure de la matière > Le Tableau de Mendeleïev

Qui était Dmitri Mendeleïev ?

Au moment où nous écrivons ces quelques lignes, celui qui révolutionna la chimie à tout jamais vit le jour il y a 183 ans.

Sa révolution justement, quant à elle, fut créée il y a 148 ans.

Dmitri Mendeleïev est né le 8 février 1834 à Tobolsk, capitale historique de la Sibérie, en Russie bien évidemment. Notez qu’il serait le 12ème enfant d’une très grande famille. Il faut bien se tenir chaud en Sibérie, n’est-ce pas ?

En 1849, Dmitri Ivanovitch Mendeleïev et sa famille, très pauvre, déménagent à St Pétersbourg, 2ème plus grande ville russe aujourd’hui, située non loin de la Finlande et de l’Estonie. Le moment pour lui d’entrer à l’université et d’y étudier les sciences. La tuberculose l’obligera ensuite à changer d’endroit à nouveau, pour aller en Crimée en 1855. L’année 1856 lui permet finalement de revenir à St Pétersbourg et de se voir diplômé en chimie.

Les sciences seront ensuite pour lui non seulement une passion, mais aussi un moyen de découvrir un peu plus l’Europe :

  • l’Allemagne où il travaille avec plusieurs savants à Heidelberg,
  • Paris entre 1859 et 1861, où il travaille sur la densité du gaz,

Il revient à l’université St Pétersbourg en 1863, où il devient successivement professeur de chimie, puis professeur de chimie minérale.

Mais c’est donc en 1869 que la lumière fut et que Dmitri Mendeleïev publia ce qui fait encore aujourd’hui cauchemarder les élèves du monde entier : son tableau de classification des éléments chimiques. Le tout étant ordonné par masse atomique croissante et regroupé par famille d’éléments. Soit 5 colonnes de 18 éléments et plusieurs cases libres dans ce tableau qui, il en était persuadé à l’époque, avait pour but d’être étoffé dans les années et décennies à venir…

Et si les étudiants connaissent avant tout le scientifique russe pour son tableau périodique, ils savent en général moins qu’il est l’un des pères de l’avènement du pétrole comme matière première pour notre société. Il a étudié les origines du pétrole et établi que les hydrocarbures se forment dans les profondeurs de notre planète.

En 1882, il déclare par ailleurs (au Tsar) :

« Ce matériel est trop précieux pour être brûlé ; quand nous brûlons du pétrole, nous brûlons de l’argent ; il faut l’utiliser comme matière première de la synthèse chimique. »

« Théorie du pétrole abiotique » largement considérée comme invalide aujourd’hui d’ailleurs.

Dmitri Mendeleïev travailla sur de nombreuses autres domaines durant sa vie et fut d’ailleurs qualifié de « chercheur prolixe » : économie, physique, explosifs, géologique, météorologie, hydrodynamique, nature des solutions…

La découverte des éléments chimiques

Un élément chimique est un ensemble d’atomes et d’ions dont les noyaux contiennent le même nombre de protons Z. Au cours du XIXème siècle, le nombre d’éléments chimiques connus ne cesse de croître en raison des progrès la chimie, de la physique et en particulier des méthodes d’analyse comme la spectroscopie. Au début du XIXe siècle, seuls une trentaine d’éléments chimiques ont été identifiés, alors qu’ils sont plus de 80 à la fin du siècle.

Qui est le créateur de la classification périodique des éléments Dmitri Mendeleïev est un chimiste russe (1834-1907) ayant travaillé sur la classification périodique des éléments, ainsi que sur le tableau qui porte aujourd’hui son nom. Ses découvertes sur les méthodes d’arrangement des éléments chimiques selon leurs propriétés lui ont valus de nombreux prix.

La découverte de ces nouveaux éléments fait naître le besoin d’un classement. Plusieurs tentatives infructueuses sont alors effectuées, jusqu’à la classification sous forme de tableau proposée par le chimiste russe Dmitri Mendeleïev en 1869, qui fut celle qui s’imposa dans le temps.

Le classement de Mendeleïev

Le tableau de Mendeleïev est divisé en colonnes et en périodes (correspondantes aux lignes). Comme plusieurs de ses contemporains, Mendeleïev choisit initialement de classer les éléments suivant l’ordre croissant de leur masse atomique, mais il tient également compte de leurs caractéristiques chimiques telles que le type de réaction chimique, les molécules et ions formés, etc. Il découvre que ces caractéristiques chimiques se répètent de manière régulière.

Il décide donc de classer dans une même colonne les éléments ayant des propriétés chimiques comparables, et de disposer les éléments d’une même ligne selon l’ordre croissant de leur numéro atomique Z. Ces éléments le poussent alors à donner à sa classification la forme d’un tableau.

Qu’est-ce que la classification périodique La classification périodique des éléments, aussi appelé tableau périodique, comporte actuellement 118 éléments.

Ainsi, il classe les éléments dont les ions possèdent une même charge dans une même colonne : les éléments donnant des cations (ions positifs), comme le potassium K ou le sodium Na se retrouvent dans la même colonne, de même que les éléments donnant des anions comme le chlore Cl ou le brome Br. C’est à cette époque que sont définies deux catégories d’éléments :

  • Les alcalins : ce sont les éléments chimiques de la première colonne du tableau périodique. Ces éléments, le plus souvent des métaux, sont électropositifs. Ils donnent facilement des cations monovalents (en perdant un électron), forment des liaisons ioniques et sont impliqués dans des relations d’oxydoréductions en tant qu’agents réducteurs.
  • Les halogènes  : ce sont les éléments chimiques de la 17e colonne du tableau périodique. Ces éléments sont électronégatifs. Ils gagnent facilement un électron pour donner des anions monovalents en gagnant un électron, forment des liaisons ioniques, sont électronégatifs et sont impliqués dans des relations d’oxydoréductions en tant qu’agents oxydants.

Les avantages du tableau de Mendeleïev

Ce tableau présente un avantage majeur : il permet de repérer facilement les composés chimiques qui présentent des propriétés proches.

Cela est facilement compréhensible lorsque l’on connait le mécanisme de formation des liaisons chimiques par exemple. En effet, les éléments d’une même colonne possèdent la même configuration électronique au niveau de leur couche externe.

Ils doivent donc se soumettre aux mêmes règles de remplissage de la couche externe : règles de l’octet et du duet, principe d’exclusion de Pauli, règle de Klechkovski sur l’ordre de remplissage ou règle de Hund concernant le spin des électrons célibataires et les cases quantiques. Les atomes ayant la même structure électronique possèdent donc des propriétés similaires.

Les familles chimiques

Ces atomes sont regroupés en familles, nommés selon les propriétés des atomes, et en bloc (visibles sur l’image ci-dessus), correspondants à la dernière sous-couche quantique électroniques de l’atome qui sera remplie par des électrons.

Les électrons se répartissent dans des couches électroniques de nombre quantique n (couches K, L, M, N, O et P), composés de sous-couches de nombre quantique l (s, p, d, f, g, h) et de niveau d’énergie m au sein de ces sous-couches. Enfin, chaque électron possède un spin, sens de rotation de l’électron sur lui-même.

Cette règle est par exemple visible pour les atomes de sodium Na et de potassium K. Ces atomes font tous deux partis de la colonne 1, dite « famille des alcalins » (à l’exception de l’hydrogène H).

BlocFamilleStructure électroniquePropriété
sColonne 1 : alcalinsns1- Sous-couche externe non saturée
- Perdent facilement un électron pour donner des cations monovalents
sColonne 2 : alcalino-terreuxns2- Sous-couche externe saturée
- Perdent facilement 2 électrons pour donner des cations divalents
pColonne 13 : famille du borens2 np1Perdent facilement 3 électrons pour donner des cations trivalents
pColonne 14 : famille du carbonens2 np2-
pColonne 15 : famille de l'azotens2 np3-
pColonne 16 : les chalcogènes (famille de l'oxygène)ns2 np4Gagnent facilement deux électrons pour donner des anions divalents
pColonne 17 : halogènesns2 np5- Gagnent facilement un électron pour donner des anions monovalents
- Électronégatifs, oxydants
pColonne 18 : gaz raresns2 np6Toutes les sous-couches et couches sont saturées
dColonne 3 à 12 (à partir de la 4e période) : éléments de transitionns2 (n-1)dx
X compris entre 1 et 10
- Métaux
- Perdent des électrons s et éventuellement des électrons p (cations de charge variable)
fEntre les colonnes 3 et 4 : lanthanides (période 6), actinides (période 7)ns2 (n-2)dx
X compris entre 1 et 14
-

Par ailleurs le tableau que réalisa Mendeleïev en 1869 n’était pas complet, il y avait des cases laissées vides car aucun élément connu ne pouvait y être placé. Par ailleurs, le tableau que réalisa Mendeleïev en 1869 n’était pas complet. Il y avait des cases laissées vides car aucun élément connu ne pouvait y être placé. M

endeleïev avait compris que ces cases vides correspondaient en réalité à des éléments qui n’avaient pas encore été découverts et il les utilisa pour prédire avec succès leurs propriétés. Ces cases commencent à être remplies aujourd’hui, avec les lanthanides et les actinides notamment.

Propriétés des éléments chimiques

Il est ainsi aisé de « deviner » les propriétés des atomes au sein du tableau périodique :

  • Le rayon de covalence (ou rayon atomique) diminue le long des colonnes et augmente le long des périodes : plus le numéro de colonne de l’atome est faible, ou plus le numéro de période de l’atome est élevé, et plus il sera important. Il est plus faible chez les cations que chez les anions.
  • L’énergie d’ionisation, soit l’énergie à fournir à un atome pour lui arracher un électron, augmente le long des colonnes mais diminue le long des périodes.
  • L’affinité électronique, qui est l’énergie mise en jeu lors de la capture d’un électron par un élément à l’état gazeux, augmente le long des colonnes mais diminue le long des périodes.
  • L’électronégativité, correspondant à la tendance que possède un élément à gagner un ou des électrons, augmente le long des colonnes mais diminue le long des périodes. Ceci explique pourquoi les métaux sont une faible électronégativité, alors que les non-métaux ont une forte électronégativité. Le fluor F est donc l’élément le plus électronégatif.
  • L’électropositivité, correspondant à la tendance que possède un élément à perdre un ou des électrons, évolue de façon inversée à l’électronégativité sur le tableau de classification. Le francium Fr est l’élément le plus électropositif.

Les gaz nobles sont un cas particulier de la classification de Mendeleïev. En effet, ces derniers ne figuraient pas dans la classification initiale car ils sont chimiquement inertes, c’est-à-dire qu’ils ne réagissent pas chimiquement avec d’autres produits. Or Mendeleïev ayant basé sa classification sur la réactivité des éléments, les gaz nobles n’ont pas été étudiés.

Des années après la création de la classification, John Rayleigh et William Ramsay firent l’hypothèse que 1% de notre atmosphère serait composé d’un gaz autre que le diazote ou le dioxygène.

Ils nommèrent ce gaz Argon (Ar), mais constatèrent son inertie chimique. D’autres études leur permirent de mettre en évidence d’autres gaz du même type, le Krypton et le Néon, ce qui les poussa à créer une nouvelle famille chimique au sein de la classification périodique : les gaz nobles.

L’influence des découvertes de Mendeleïev

L’héritage du tableau des éléments périodiques

Malgré son nom parfois complexe à saisir (on retrouvera souvent des Mendeliev et des Mendeleiv dans les copies des élèves …), Dmitri Mendeleïev reste l’une des figures majeures de la chimie chez les scientifiques !

Quelles sont les découvertes majeures de Mendeléiev ? Le chimiste russe, ici célébré par Google en 2016.

Considéré aujourd’hui comme « l’alphabet des chimistes », le tableau périodique de Mendeleiev permet de distinguer plusieurs familles :

  • Les non-métaux,
  • Les métaux vrais regroupant les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux,
  • Les métaux de transition,
  • Les métalloïdes,
  • Les lanthanides,
  • Les actinides,
  • Les transuraniens,
  • Les halogènes,
  • Les gaz nobles.

La contribution du chimiste russe à la science n’est plus à prouver : le tableau Mendeleiev (ou tableau Mendeleïev selon les écritures) était en avance sur son temps, son auteur ayant laissé des cases libres sur son tableau des éléments pour prévoir les futures avancées de la science.

Déduisant les propriétés des éléments manquants, Dmitri Mendéleiev laissa aux scientifiques le soin de compléter son classement au fur et à mesure des années.

C’est bel et bien grâce à ses prédictions que trois éléments chimiques purent être découverts :

  • Le gallium,
  • Le scandium,
  • Le germanium.

Découverts respectivement par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, par Lars Fredrik Nilson en 1879 et par Clemens Winkler en 1886, le Gallium, le Scandium et le Germanium contribuèrent à l’exhaustivité de la table de Mendeleïev. Mendeleiv aura donc pu constater le fruit de ses efforts de son vivant, mais était sûrement bien loin d’imaginer l’impact de sa classification durant les siècles à venir !

Les autres inventions de Mendeleiev

Perfectionniste jusqu’au bout, le scientifique russe ne s’arrêta pas à son seul tableau des elements !

Dmitri Mendeléiev était également l’inventeur des températures critiques : neuf ans avant Thomas Andrews, la « température absolue d’ébullition » de Mendeleiev permettait de définir la température au-dessus de laquelle un gaz ne peut être liquéfié malgré l’ajout d’une certaine pression.

Il consacra également de nombreuses travaux à l’étude de la nature du pétrole, déclarant :

« Le fait capital à noter est que le pétrole est né dans les profondeurs de la terre, et c’est là seulement que nous devons rechercher son origine. »

Mais Mendeleiev n’était pas simplement l’homme au tableau des atomes et aux études sur la compressibilité du gaz. Selon les légendes urbaines russes, ce grand homme serait aussi l’inventeur … de la vodka !

Eh oui, bien que l’alcool de céréales existait depuis déjà plus d’un siècle vers la fin du XIXème siècle, c’est Dmitri Mendeleiv qui aurait lui-même découvert son dosage parfait à 40 degrés, encore utilisé de nos jours. En 1893, le scientifique russe, fier de son invention, brevète officiellement son dosage auprès du Bureau des Poids et des Mesures de Saint-Pétersbourg.

Malheureusement pour nous, cette théorie fantasque s’est révélée être fausse au fil des années : bien que sa thèse portait bien sur la combinaison de l’alcool et de l’eau, Mendeleiev s’intéressait à des mélanges bien plus forts, de l’ordre de 70 degrés.

Malgré toutes les fabulations entourant le génie de Mendeleiev, son talent et son influence ne sont plus à prouver. Google a d’ailleurs récemment dédié son Doodle quotidien à l’anniversaire de naissance du chimiste légendaire !

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