Chapitres
Tableau périodique des éléments
Ce qu'il faut savoir
- Principe de construction et description du tableau
- Évolution dans le tableau de l'énergie d'ionisation, de l'affinité électronique et de l'électronégativité
- Évolution du caractère rédox
- Caractère acide ou basique des oxydes sur les exemples suivants : Na2O et CO2 (et SO2)
Présentation du tableau périodique
La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C'est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque.
Sa dernière révision date de 2016 par l'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l'évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.
L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.
Les définitions de base
- Numéro atomique : Le numéro atomique d'un atome représente le nombre de protons de ce dernier
- Famille : L'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée) a regroupé en 10 familles les éléments chimiques qui présentent des propriétés physiques et chimiques semblables
- Groupe : Chaque groupe correspond aux éléments chimiques présents dans une même colonne du tableau périodique des éléments
- Période : Chaque période correspond aux éléments chimiques présents dans une même ligne du tableau périodique des éléments. Ils partagent également le même nombre de couches électroniques. On en compte 7 au maximum
- Bloc : Les éléments périodiques sont classés par bloc selon leurs propriétés et selon les couches électroniques jusqu’auxquelles elles sont remplies
- Dureté : La dureté d'un matériau représente la résistance qu'il oppose à la pénétration. On peut la mesurer selon plusieurs méthodes : la méthode par pénétration, la méthode par rayage ou encore la méthode par rebondissement
- Point de fusion : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l'élément chimique fond, passant ainsi de l'état solide à l'état liquide
- Point d'ébullition : Le point d'ébullition correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l'élément chimique bout, passant ainsi de l'état liquide à l'état gazeux
Décrire le tableau
Le tableau périodique des éléments est constitué de 118 éléments chimiques dont 83 sont considérés comme primordiaux puisque ceux-ci possèdent au moins un isotope stable ou tout du moins suffisamment stable pour être plus ancien que la Terre. Parmi ces éléments considérés comme primordiaux, on en compte trois qui sont radioactif :
- L'uranium 92U ;
- Le thorium 90Th ;
- Et le bismuth 83Bi dont la radioactivité est tellement faible qu'il faudra attendre 2003 avant qu'elle ne soit mise en évidence.
Des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons
On trouve également 11 éléments présents naturellement sur Terre bien qu'ils soient beaucoup trop radioactif pour que leurs isotopes, présents lorsque le système solaire eut été formé, existent encore à l'heure actuelle. En effet, ils se forment de façon continue grâce au mécanisme de la désintégration radioactive d'autres éléments chimiques tel que l'uranium ou encore le thorium.
Les 24 derniers éléments du tableau périodique des éléments sont, quant à eux, considérés comme étant synthétiques. En effet, ils n'existent pas de façon naturelle dans l'environnement terrestre puisqu'ils sont produits de façon artificielle au sein de réacteurs nucléaires ou encore de façon expérimentale dans les laboratoires d'étude. Il reste cependant possible de trouver des traces de ces éléments synthétiques dans la naturel notamment à la suite d'essais nucléaires atmosphériques ou encore à cause d'accidents nucléaires. C'est donc pour cela que l'on peut trouver dans certaines zones contaminées de l'américium 95Am, du curium 96Cm, du berkélium 97BK et du californium 98Cf.
Construire le tableau périodique des éléments
Rappelons le, le tableau périodique des éléments est construit selon les propriétés physico-chimiques des éléments. Or, dans la mesure où ces propriétés reposent sur la configuration électronique de l'élément, la construction du tableau périodique dépend également de cette donnée.
En effet, chaque ligne du tableau, également appelée période, correspond à une couche électronique identifiée par ce qu'on appelle le nombre quantique principal noté n dans le tableau. Ainsi, puisqu'il existe à ce jour sept couches électroniques connues à l'état fondamentale, on trouve donc sept lignes dans le tableau périodique standard.
De plus, chaque période est divisée en plusieurs blocs, entre un et quatre selon les périodes, qui correspondent, quant à eux, aux sous-couches électroniques que l'on peut identifier grâce à leur nombre quantique secondaire qui est noté ℓ. Il existe quatre types de sous-couches électroniques connues à l'état fondamental que l'on note s, p, d et f qui ont pour origine les abréviations utilisées en spectroscopie. Chacune de ces sous-couches électronique contiennent respectivement 1, 3, 5 et 7 orbitales atomiques que l'on peut identifier grâce à leur nombre quantique magnétique que l'on note mℓ.
A cela, il faut ajouter le fait que chaque orbitale est occupée par, au plus, deux électrons qui sont chacun identifiés grâce à leur nombre quantique magnétique de spin noté ms.
De ce fait, chaque électron d'un atome est donc décrit par quatre nombres quantiques, qui vérifient les propriétés qui suivent :
- Le nombre quantique principal n est un nombre entier naturel non nul : n ≥ 1 ;
- Le nombre quantique azimutal ℓ est un nombre entier positif ou nul vérifiant 0 ≤ ℓ ≤ n – 1 ;
- Le nombre quantique magnétique mℓ est un nombre entier vérifiant – ℓ ≤ mℓ ≤ ℓ ;
- Le nombre quantique magnétique de spin ms vaut – 1/2 ou + 1/2, les électrons correspondants étant couramment représentés par les symboles ↓ et ↑.
Ainsi, en respectant le principe d'exclusion de Pauli, les sous-couches électroniques s, p, d et f ne peuvent donc contenir chacune, et de façon respective, au plus 2, 6, 10 et 14 électrons. On matérialise donc cela dans le tableau périodique des élément par le bloc s, le bloc p, le bloc d et le bloc f qui contiennent respectivement 2, 6, 10 et 14 éléments chacun.
Selon le principe d'exclusion de Pauli, deux fermions (dans le cas précédent on va parler deux électrons) d'un même système (ici, un même atome) ne peuvent partager le même état quantique.
De ce fait, si la construction du tableau par bloc en fonction des configurations électroniques est respectée, l'hélium devrait normalement se trouver au dessus du béryllium dans la deuxième colonne, c'est à dire la colonne où les atomes ont une sous-couche externe ns2 et non pas au dessus du néon dans la dix-huitième colonne, celle des gaz nobles dont il fait pourtant chimiquement partie.
Quantification de l'énergie de l'atome d'hydrogène
- Spectre de l'atome d'hydrogène, formule de Ritz
- Modèle de Bohr
- Diagramme énergétique de l'atome d'hydrogène
Quelques informations de bases sur l'atome d'hydrogène
Etymologie du mot hydrogène
Ce fut le chimiste français Antoine Lavoisier qui proposa ce nom en 1783 dans le livre Méthode de nomenclature chimique coécrit avec de Guyton de Morveau, Berthollet et de Fourcroy. En effet, grâce à une hydrolyse de l'eau, on a découvert que l'hydrogène et l'oxygène étaient des composant de l'eau, d'où le sens étymologique de "formeur d'eau".
Premières découvertes de l'atome
En 1671 le chimiste irlandais Robert Boyle étudie les effets de l'acide sulfurique dilué sur le fer et observe qu'il y a production d'un gaz inflammable qu'il n'identifie pas comme un nouveau composé mais qui correspond en réalité à du dihyrogène.
Robert Boyle n'est pas le seul à passer à coté d'une découverte, d'autres scientifiques du XVIIème siècle font les mêmes observations sans aller plus loin et ce n'est qu'en 1766 que Henry Cavendish analyse ce gaz.
Il montre qu'il peut être obtenu par réaction entre divers acides et des métaux tels que le fer, le zinc ou l'étain et met en évidence des caractéristiques qui le distingue des gaz connus: il est moins dense que l'air et peut brûler de manière explosive. Cette dernière caractéristique lui vaut le nom d'air inflammable mais par ailleurs cette combustion produit de l'eau ce qui pousse, en 1783, le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier à proposer le nom d'hydrogène (en grec "formeur d'eau").
En 1800 Les chimistes anglais William Nicholson et Anthony Carlisle montrent qu'il peut être obtenu par électrolyse de l'eau. En 1878 l'analyse du spectre de la lumière solaire permet de le détecter dans l'atmosphère de notre étoile.
Deux nouveaux isotope de l'hydrogène sont découvert par la suite, le deutérium (en 1932) et le tritium (en 1934).
L'hydrogène dans la nature
L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers. En effet, il représente 92% en nombre d'atomes, 75% en masse. Il est majoritairement présent dans les étoiles et les planètes externes gazeuses à cœur solide. Il est également le principal composant des nébuleuses et du gaz interstellaire.
Cependant, il ne représente dans la croûte terrestre que 0,22% des atomes. Il est donc loin derrière l'oxygène, qui représente 47% des atomes, et le silicium qui représente 27% des atomes.
Il est également rare dans l'atmosphère terrestre. En effet, il ne représente, en volume, que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. La source la plus commune d'hydrogène sur Terre est l'eau dont la molécule est composée de deux atomes d'hydrogène pour un atome d'oxygène. L'hydrogène est également et surtout le principal constituant, en nombre d'atome, de toute la matière vivante. Il est associé avec le carbone dans tout les composés organiques.
Par exemple, l'hydrogène représente 63% des atomes et 10% de la masse du corps humain.
L'hydrogène, soumis à de très faibles pression quand il est présent dans l'espace, a tendance à exister sous la forme d'atomes individuels puisqu'il n'entre pas en collision avec d'autres atomes pour se combiner. On peut alors trouver des nuages d'hydrogène qui sont à la base du processus de la formation des étoiles.
D'après la théorie du Big Bang, il s'est formé peu après la naissance de notre univers alors que les éléments plus lourds ne sont apparus que bien plus tard sous l'effet des réactions de fusion nucléaire se réalisant dans le cœur des premières étoiles et au sein des supernovas. Notre Soleil en est par exemple composé à 74% (en masse).
Quelques propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène
Corps simple de l'hydrogène
L'hydrogène est le premier élément de la classification périodique. Son noyau n'a qu'un seul proton et son isotope principal est même dénué de neutron (un cas unique) ce qui fait de l'atome d'hydrogène le plus simple, le plus petit et le plus léger des atomes.
Il occupe aussi un statut un peu particulier dans la classification périodique : sa place dans la première colonne aurait pu lui valoir d'appartenir à la famille des alcalins tandis que l'électron lui manquant pour compléter sa couche externe aurait pu le rattacher à la famille des halogènes. Cependant ses propriétés le distingue si nettement de ces deux familles qu'il a par défaut été classe comme "non métal".
A température ambiante et pression atmosphérique, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz incolore, inodore, peu dense qui brûle de manière explosive au contact de l'air en produisant de l'eau.
Il peut être produit par réaction entre un acide et un métal ou par électrolyse de l'eau.
L'hydrogène sous forme de corps simple, sauf à des pression extrêmement basses comme dans l'espace intergalactique ou extrêmement hautes comme dans les parties centrale de Jupiter et Saturne, est formé de molécules de dihydrogène de formule H2.
On dit, lorsque l'hydrogène est soumis à des pressions extrêmement hautes, qu'il est dans un état dit "sombre", un état intermédiaire entre le gaz et le métal. Dans cet état, il ne reflète et ne transmet pas la lumière mais il devient également très faiblement conducteur d'électricité. On peut alors l'apparenter aux métaux alcalins qui suivent, dans le groupe 1 du tableau périodique des éléments de Mendeleïev.
Tandis qu'aux pressions les plus basses, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz monoatomique.
Hydrogène gazeux
Dans des conditions normales de pression et de température, c'est à dire les conditions qui intéressent la chimie et les sciences de la Terre, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz moléculaire de dihydrogène, de formule H2. En effet, le dihydrogène est capable de former dans les galaxie des nuages moléculaires à l'origine de la formation des étoiles.
Comme dit précédemment, à basse pression et à haute température, l'hydrogène est présent sous la forme de gaz monoatomique, de formule H. C'est dans cette forme que nous pouvons le trouver dans l'espace, en tant que gaz interstellaire ou intergalactique.
C'est à cause de l'immensité de l'espace, et ce malgré la faible densité du gaz, que l'hydrogène monoatomique constitue environ 75% de la masse baryonique de l'Univers.
La masse baryonique est un terme désignant toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons. Cela correspond alors aux protons et neutrons auxquels on lie des électrons, appelés leptons, qui composent les atomes, les molécules et toutes les structures visibles dans l'Univers observable.
Hydrogène solide
Il est possible d'obtenir de l'hydrogène solide en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, c'est à dire à 14,01 K, soit -259,14°C.
Cet état fut obtenu pour la première fois en 1899 par James Dewar.
Hydrogène métallique
Lorsqu'il est soumis à de très fortes pressions et à de très basses température, l'hydrogène atteint une phase dite métallique. Certains estiment qu'il existe un intervalle de pressions sous lesquelles, même soumis à de très basse températures, l'hydrogène métallique est liquide.
Les isotopes de l'hydrogène
En perdant son unique électron, l'hydrogène donnera une ion H+ fréquemment nommé proton, c'est l'isotope le plus abondant.
Le proton ne peut exister en solution à l'état libre, il est toujours lié au nuage électronique d'une molécule tandis qu'en solution aqueuse il est solvaté par les molécules d'eau. Il forme ainsi l'ion hydronium H3O+, on l'appelle aussi oxonium ou hydroxonium.
L'atome d'hydrogène peut également obtenir un second électron pour obtenir l'ion hydrure de formule H-. Il possède alors le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.
De plus, l'hydrogène est le seul élément dont les différents isotopes possèdent des noms distincts et même parfois un symbole propre.
L'isotope majoritaire est le protium, baptisé ainsi car il ne comporte qu'un proton dans son noyau et les autres principaux isotopes sont le deutérium (symbole D) et le tritium (symbole T).
Il existe d'autres isotopes (le tetranium A=4, le pentium A = 5, l'hexium A = 6 et le septium A = 7 ) mais ces dernier sont radioactifs et hautement instables avec des périodes radioactives toutes nettement inférieures à une seconde.
Les ions de l'hydrogène
En solution aqueuse l'hydrogène forme le cation de formule H+ constitué d'un seul et unique proton.
Cet ion appelé ion hydronium, ion hydroxonium ou oxonium (ces termes sont synonymes) s'associe à une molécule d'eau pour former l'ion H3O+.
Il s'agit de l'ion responsable de l'acidité, cette dernière augmente et le pH diminue lorsque la concentration en ion H3O+ augmente.
Par ailleurs ces ions sont présents même dans l'eau pure car celle-ci est le siège d'un phénomène appelé autoprotolyse de l'eau qui conduit les molécules d'eau à former des cations hydrogène et des ions hydroxyde suivant l'équilibre :
[ 2 H _ { 2 } O rightleftarrows H _ { 3 } O ^ { + } + O H ^ { - } ]
Etude quantique des atomes
- Principe d'incertitude d'Heisenberg, nécessité d'une autre description du mouvement de l'électron dans un atome, description quantique en terme de probabilité de présence
- Les 4 nombres quantiques
- Configuration électronique des atomes : règle de Klechkowky, principe de Pauli, règle de Hund
- Retour sur le tableau périodique
Cinématique des changements de référentiels
- Formule de la dérivation vectorielle
- Lois de composition des vitesses et des accélérations ( pour celle-ci, la connaissance de la formule donnant l'accélération d'entraînement est déconseillée au profit de l'utilisation du point coïncident)
- Cas particuliers de mouvement d'entraînement : translation et rotation uniforme autour d'un axe fixe
Dynamique en référentiel non galiléen
- Propriété des référentiels galiléens
- RFD en référentiel non galiléen : forces d'inertie
- Cas particuliers de mouvement d'entraînement : translation et rotation uniforme autour d'un axe fixe
- Caractère galiléen de quelques référentiels d'utilisation courante :
- Référentiel de Copernic (que l'on confond avec le référentiel de Kepler),
- Référentiel géocentrique : mouvement d'entraînement, RFD avec mise en évidence du terme des marées, terme négligé sous certaines hypothèses,
- Référentiel terrestre : mouvement d'entraînement, RFD sans, puis avec simplification du terme des marées, définition du champ de pesanteur et du poids.
Systèmes de deux points matériels
- Dynamique des systèmes de deux points :
- Théorème du centre d'inertie, théorème du moment cinétique, théorème de l' Ec, calcul du travail résultant des forces intérieures, énergie mécanique lorsque les forces intérieures sont conservatives et sa variation
- Référentiel barycentrique Rb
- Cas des systèmes isolés :
- Rb galiléen, conservation du moment cinétique, conservation de l'énergie mécanique si les forces intérieures sont conservatives
- Mouvement relatif de M2/M1, vitesses et accélérations relatives de M2/M1, vitesses, quantités de mouvement barycentriques de M2 et M1, énergie cinétique et moment cinétique barycentriques du système en fonction de la masse réduite et de la vitesse relative d'où la réduction du pb à deux corps en un problème à un corps : mobile réduit (sa masse et sa position), force fictive à lui attribuer, propriétés du mouvement.
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