Le tableau périodique classe tous les éléments chimiques connus par ordre croissant de numéro atomique Z. Les lignes horizontales sont appelées périodes ; les colonnes verticales sont appelées groupes (ou familles chimiques) et sont numérotées de 1 à 18.
Chaque période correspond au remplissage d'une nouvelle couche électronique : le numéro de la période indique le nombre de couches électroniques occupées par les atomes de cette ligne. Chaque colonne regroupe des éléments qui possèdent la même structure électronique périphérique, donc des propriétés chimiques voisines. Selon la sous-couche en cours de remplissage, le tableau se découpe en zones appelées blocs : le bloc s (colonnes 1 et 2), le bloc p (colonnes 13 à 18) et le bloc d (colonnes 3 à 12, métaux de transition).
Le sodium Na (Z = 11), de configuration 1s²2s²2p⁶3s¹, se situe en période 3 (3 couches K, L, M) et en colonne 1 (bloc s). Le chlore Cl (Z = 17), de configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵, se situe également en période 3 mais en colonne 17 (bloc p).
Une famille chimique est l'ensemble des éléments occupant une même colonne du tableau périodique. Ils possèdent le même nombre d'électrons périphériques (électrons de la couche externe) et présentent donc des comportements chimiques semblables.
Les alcalins (colonne 1, sauf H) : configuration périphérique ns¹, 1 électron périphérique. Métaux mous, très réactifs, qui réagissent violemment avec l'eau et s'oxydent très facilement à l'air (Li, Na, K…).
Les halogènes (colonne 17) : configuration périphérique ns²np⁵, 7 électrons périphériques. Non-métaux très électronégatifs, très réactifs, qui forment des sels appelés halogénures (F, Cl, Br, I…).
Les sulfurides (colonne 16, famille de l'oxygène et du soufre) : configuration périphérique ns²np⁴, 6 électrons périphériques. Non-métaux réactifs, avides d'électrons (O, S, Se…).
Les azotides (colonne 15, famille de l'azote et du phosphore) : configuration périphérique ns²np³, 5 électrons périphériques (N, P, As…).
Les gaz nobles (colonne 18) : configuration périphérique ns²np⁶ (2 électrons seulement pour l'hélium), couche périphérique saturée. Chimiquement inertes, ils ne réagissent pratiquement pas et ne forment pas de composés stables dans les conditions ordinaires (He, Ne, Ar…).
| Colonne | Famille | Propriété chimique caractéristique | Exemples |
|---|---|---|---|
| 1 | Alcalins | 1 e⁻ périphérique ; très réactifs, cèdent facilement leur électron | Li, Na, K |
| 15 | Azotides | 5 e⁻ périphériques ; captent 3 électrons pour saturer leur octet | N, P |
| 16 | Sulfurides | 6 e⁻ périphériques ; captent 2 électrons pour saturer leur octet | O, S |
| 17 | Halogènes | 7 e⁻ périphériques ; très électronégatifs, captent facilement 1 électron | F, Cl, Br |
| 18 | Gaz nobles | Couche périphérique saturée ; chimiquement inertes | He, Ne, Ar |
Les électrons périphériques sont les électrons occupant la dernière couche électronique occupée (couche externe). Ce sont eux qui déterminent le comportement chimique de l'élément.
La position d'un élément dans le tableau périodique est directement liée à sa structure électronique : le numéro de la période est égal au nombre de couches électroniques occupées ; le numéro de la colonne (pour les blocs s et p) est lié au nombre d'électrons périphériques. Réciproquement, connaissant la position d'un élément, on peut reconstituer sa configuration électronique périphérique, et inversement.
Le chlore (Z = 17) a pour configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ : 3 couches occupées → période 3 ; 2 + 5 = 7 électrons périphériques → colonne 17 (famille des halogènes).
La règle de l'octet énonce que les atomes évoluent, en perdant, en gagnant ou en mettant en commun des électrons, vers une structure électronique périphérique saturée à 8 électrons (2 électrons pour l'hydrogène : règle du duet), identique à celle du gaz noble le plus proche dans le tableau.
Les alcalins (1 e⁻ périphérique) perdent facilement cet électron unique : ils forment un cation de charge +1. Les halogènes (7 e⁻ périphériques) captent facilement 1 électron : ils forment un anion de charge −1. Les sulfurides (6 e⁻ périphériques) captent 2 électrons : ion X²⁻. Les azotides (5 e⁻ périphériques) captent 3 électrons : ion X³⁻. Les gaz nobles, déjà saturés, ne forment pas d'ions monoatomiques stables.
Na (1s²2s²2p⁶3s¹) → Na⁺ (1s²2s²2p⁶) + e⁻ (structure du néon). Cl (1s²2s²2p⁶3s²3p⁵) + e⁻ → Cl⁻ (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶, structure de l'argon). O (1s²2s²2p⁴) + 2 e⁻ → O²⁻ (structure du néon).
Une liaison covalente résulte de la mise en commun d'un doublet d'électrons (deux électrons, un apporté par chaque atome en général) entre deux atomes. Ce doublet, appelé doublet liant, appartient conjointement aux deux atomes et assure la cohésion de la molécule.
Chaque atome engagé dans des liaisons covalentes tend à saturer sa couche externe (règle de l'octet, ou du duet pour l'hydrogène) en partageant autant de doublets que nécessaire. Le nombre de liaisons covalentes qu'un atome peut établir est en général égal au nombre d'électrons qui lui manquent pour atteindre l'octet (ou le duet).
Dans Cl₂, chaque atome de chlore (7 e⁻ périphériques) met en commun un électron pour compléter son octet à 8. Dans H₂O, l'oxygène (6 e⁻ périphériques) forme deux liaisons covalentes avec deux atomes d'hydrogène. Dans CO₂, le carbone forme deux doubles liaisons avec les deux atomes d'oxygène.
À l'état solide, les atomes d'un métal s'organisent de façon périodique et ordonnée dans l'espace. Le plus petit motif qui, répété par translation dans les trois directions, reconstitue l'ensemble du cristal est appelé maille cristalline. La coordinence d'un atome est le nombre de ses plus proches voisins dans le réseau.
Trois mailles cubiques modèles sont à connaître :
| Type de maille | Position des atomes | Coordinence | Exemple de métal |
|---|---|---|---|
| Cubique simple (CS) | Atomes aux 8 sommets du cube uniquement | 6 | Polonium (rare) |
| Cubique centrée (CC) | Atomes aux sommets + 1 atome au centre du cube | 8 | Fer α, sodium |
| Cubique à faces centrées (CFC) | Atomes aux sommets + 1 atome au centre de chaque face | 12 | Cuivre, aluminium, or |
À température ambiante, le fer cristallise selon une maille cubique centrée (coordinence 8) ; au-delà de 912 °C, il adopte une structure cubique à faces centrées, plus compacte (coordinence 12).
Un alliage est un matériau obtenu en incorporant, dans le réseau cristallin d'un métal de base, un ou plusieurs autres éléments (métalliques ou non), afin d'en modifier les propriétés.
Alliage de substitution : les atomes étrangers, de taille voisine de celle des atomes du métal de base, remplacent certains d'entre eux à des nœuds du réseau cristallin. Alliage d'insertion : les atomes étrangers, de petite taille, viennent se loger dans les espaces vides (interstices) du réseau du métal de base, sans en remplacer les atomes.
Laiton (Cu + Zn) et bronze (Cu + Sn) : alliages de substitution, les atomes de zinc ou d'étain remplaçant des atomes de cuivre dans le réseau. Acier (Fe + C) : alliage d'insertion, les petits atomes de carbone s'insérant dans les interstices du réseau du fer.
Applications : en gênant le glissement des plans cristallins les uns sur les autres, la présence d'atomes étrangers (par substitution ou insertion) augmente en général la dureté et la résistance mécanique de l'alliage par rapport au métal pur, et peut aussi améliorer sa résistance à la corrosion (cas des aciers inoxydables, alliages Fe-Cr-Ni).
Un élément X a pour configuration électronique périphérique 3s²3p⁵.
1) Combien d'électrons périphériques possède l'atome X ?
2) En déduire le numéro de la colonne du tableau périodique à laquelle appartient X.
3) Nommer la famille chimique correspondante et donner une propriété chimique caractéristique de cette famille.
4) Combien de couches électroniques possède X ? En déduire sa période.
1) La couche périphérique 3s²3p⁵ comporte 2 + 5 = 7 électrons périphériques.
2) Le nombre d'électrons périphériques correspond au numéro de la colonne : X appartient à la colonne 17.
3) La colonne 17 est celle des halogènes : ce sont des non-métaux très électronégatifs, très réactifs, qui captent facilement un électron.
4) La configuration complète est 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ : 3 couches (K, L, M) sont occupées, donc X est en période 3. Il s'agit du chlore (Z = 17).
On considère les éléments sodium Na (Z = 11) et chlore Cl (Z = 17).
1) Écrire la configuration électronique de chaque atome et indiquer son nombre d'électrons périphériques.
2) En appliquant la règle de l'octet, déterminer l'ion stable formé par chacun des deux atomes ainsi que sa charge.
3) Écrire l'équation traduisant le transfert d'électron entre l'atome de sodium et l'atome de chlore.
4) En déduire la formule du composé ionique formé et vérifier la neutralité électrique de ce solide.
1) Na (Z=11) : 1s²2s²2p⁶3s¹, 1 électron périphérique. Cl (Z=17) : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵, 7 électrons périphériques.
2) Na, alcalin, perd son unique électron périphérique : Na → Na⁺ + e⁻ (structure du néon). Cl, halogène, capte 1 électron : Cl + e⁻ → Cl⁻ (structure de l'argon).
3) L'électron cédé par le sodium est capté par le chlore : Na + Cl → Na⁺ + Cl⁻.
4) Le composé formé est le chlorure de sodium NaCl : un ion Na⁺ (charge +1) pour un ion Cl⁻ (charge −1), la charge totale est nulle : le solide est bien électriquement neutre.
Un élément X appartient à la 4e période du tableau périodique et à la famille des alcalins.
1) Combien de couches électroniques possède un atome de X ? Justifier.
2) Combien d'électrons périphériques possède X ? Justifier à partir de sa famille chimique.
3) En déduire la configuration électronique complète de X, puis son numéro atomique Z.
4) Quel ion X est-il susceptible de former ? Écrire sa configuration électronique et identifier le gaz noble dont il a la structure.
1) Le numéro de la période est égal au nombre de couches électroniques occupées : X possède donc 4 couches (K, L, M, N).
2) La famille des alcalins (colonne 1) est caractérisée par 1 électron périphérique (configuration ns¹).
3) En remplissant K, L, M complètement (2 + 8 + 8 = 18 électrons) puis en plaçant 1 électron sur la couche N : configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹, soit Z = 2+2+6+2+6+1 = 19. Il s'agit du potassium K.
4) Alcalin, il perd son électron périphérique : X → X⁺ + e⁻, soit K⁺ de configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ (18 électrons), identique à celle de l'argon Ar.
Le fer cristallise à température ambiante selon une maille cubique centrée (CC) ; au-delà de 912 °C, il adopte une maille cubique à faces centrées (CFC).
1) Décrire la position des atomes dans une maille cubique centrée, puis dans une maille cubique à faces centrées.
2) Donner la coordinence (nombre de plus proches voisins) dans chacune des deux structures.
3) On rappelle que dans une maille cubique, un atome situé à un sommet est partagé entre 8 mailles voisines (il compte donc pour 1/8), et qu'un atome situé au centre d'une face est partagé entre 2 mailles (il compte pour 1/2). Calculer le nombre d'atomes appartenant en propre à une maille CC (8 sommets + 1 atome au centre), puis à une maille CFC (8 sommets + 6 centres de faces).
4) L'acier est un alliage de fer contenant de petits atomes de carbone qui se logent dans les sites interstitiels du réseau du fer, sans remplacer les atomes de fer. Quel type d'alliage est-ce ? Quel effet cette insertion a-t-elle sur les propriétés mécaniques de l'acier par rapport au fer pur ?
1) Maille CC : un atome à chacun des 8 sommets du cube et un atome supplémentaire au centre du cube. Maille CFC : un atome à chacun des 8 sommets et un atome au centre de chacune des 6 faces (aucun atome au centre du cube).
2) Coordinence de la maille CC : 8. Coordinence de la maille CFC : 12 (structure plus compacte).
3) Maille CC : 8×(1/8) + 1×1 = 1 + 1 = 2 atomes par maille. Maille CFC : 8×(1/8) + 6×(1/2) = 1 + 3 = 4 atomes par maille.
4) Les atomes de carbone, de petite taille, s'insèrent dans les interstices du réseau du fer sans en remplacer les atomes : c'est un alliage d'insertion. Cette insertion gêne le glissement des plans cristallins de fer les uns sur les autres, ce qui augmente la dureté et la résistance mécanique de l'acier par rapport au fer pur.
Le cuivre (Cu, Z = 29) est un métal de transition très utilisé, pur ou sous forme d'alliages.
10 questions · Correction immédiate
Dans le tableau périodique, les lignes horizontales sont appelées :
Les éléments d'une même colonne du tableau périodique ont en commun :
Un alcalin forme un cation en :
Les halogènes possèdent, sur leur couche périphérique :
Les gaz nobles sont chimiquement très peu réactifs parce que :
Un élément de la famille des sulfurides (colonne 16), comme l'oxygène, forme un ion monoatomique de charge :
Une liaison covalente correspond à :
Dans une maille cubique centrée (CC), la coordinence (nombre de plus proches voisins) est de :
Dans un alliage de substitution :
L'acier (fer + carbone) est un exemple typique :
