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Vidéo de la leçon : Le tableau périodique Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à définir des groupes, des périodes et des blocs et à relier les propriétés des éléments à leurs positions dans le tableau périodique.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons en apprendre davantage sur le tableau périodique des éléments, comment il est disposé, les noms de ses parties, et la manière soignée dont la position des éléments dans le tableau périodique, indique certaines de leurs propriétés.

La chimie contemple les produits chimiques et leur réaction. Mais si vous essayez de vous souvenir de chaque détail de chaque produit chimique, vous aurez un travail énorme à faire. Il y a environ 160 millions de produits chimiques reconnus, et un nombre infiniment plus grand que nous pourrions imaginer. Même si tout ce que vous avez vu était les produits chimiques dénommés en usage aujourd’hui, nous en aurions encore trop à retenir. Cependant, tous les produits chimiques sont fabriqués à partir des éléments chimiques, et leur nombre à eux est limité.

Nous pouvons utiliser notre compréhension des éléments pour prédire le type de liaison dans les composés chimiques. Nous pouvons alors prédire la réactivité et le comportement des produits chimiques que nous n’avons pas directement étudiés. Cependant, 118 éléments c’est encore beaucoup. Donc, pour aider les chimistes, il existe un outil appelé le tableau périodique des éléments, qui aide les chimistes à se souvenir de nombreux détails sur les propriétés et les comportements des éléments. Dans cette vidéo, nous n’allons pas examiner l’histoire du tableau périodique. Au lieu de cela, nous examinerons la théorie qui se trouve derrière le tableau périodique moderne, et la meilleure façon de l’utiliser pour devenir un meilleur chimiste.

Chaque élément est un type d’atome ou d’ion, basé sur le nombre de protons dans le noyau. Le nombre de protons dans le noyau détermine le nombre d’électrons nécessaires pour le rendre neutre et former un atome. Le nombre de protons et d’électrons qu’un atome ou un ion possède, détermine comment il réagit. Le nombre de protons dans les noyaux est donc très important. Il nous a fallu beaucoup de temps pour isoler et identifier les éléments chimiques que nous connaissons actuellement. Ce que nous avons, c’est un discernement des noyaux ayant entre un et 118 protons. Pour commencer avec notre tableau périodique, nous devons avoir quelques informations de base sur chaque élément.

Un nom et un symbole chimique ont été donnés à chaque élément. Nous pouvons les mettre dans une « cellule » ou une case. L’information la plus basique que nous avons sur chaque élément est le nombre de protons dans les noyaux de cet élément. C’est le numéro atomique. Vous le trouverez généralement au-dessus du symbole chimique, mais quelques fois vous le verrez au-dessous ou ailleurs. L’autre information très utile est la masse atomique moyenne de l’élément. Il s’agit de la masse moyenne d’un atome de cet élément en unités de masse atomique unifiées. Ce nombre est une propriété mesurée de chaque élément, basée sur l’abondance des isotopes de cet élément sur Terre.

Tous les éléments n’ont pas une masse atomique moyenne, car tous les éléments ne se trouvent pas sur la Terre en quantités suffisamment grandes pour que ces mesures soient effectuées. Donc, ce que vous pouvez voir à la place, c’est la masse atomique moyenne de l’isotope le plus courant, ou rien du tout. Vous ne devez pas vous inquiéter de cela dans la pratique, car il est hautement improbable que vous soyez interrogé sur un élément qui n’a pas une masse atomique moyenne définie. Si vous avez peur de ne pas savoir distinguer le numéro atomique de la masse atomique, rappelez-vous seulement que le numéro atomique est toujours inférieur ou exactement identique à la masse atomique. Une fois que nous avons toutes les informations pour les éléments, il est utile de les ordonner par numéro atomique de l’élément.

Mais les chimistes veulent également pouvoir comparer les éléments en fonction de la façon dont leurs atomes ou leurs ions réagissent, et de la manière dont leurs électrons sont disposés. Pour l’instant, pour garder les choses simples, ne regardons que les 20 premiers éléments, de l’hydrogène au calcium. La première chose que nous pourrions faire lorsque nous comparons ces éléments, c’est d’examiner la forme qu’ils prennent lorsqu’ils sont purs à température et pression ambiantes.

Sous leur forme élémentaire, certains de ces éléments sont des gaz comme l’hydrogène, l’hélium, l’azote, etc. Les autres sont des solides, et il n’y a pas d’éléments liquides à la température et la pression ambiantes. Il n’y a pas de schéma clair ici, alors examinons les éléments qui sont des métaux et les éléments qui sont des non-métaux. Les éléments métalliques comprennent le lithium, le béryllium et le sodium, et nous n’incluons le carbone, même si ce dernier est généralement conducteur pour d’autres raisons. Tous les autres éléments sont des non-métaux, et nous n’avons toujours pas de schéma particulièrement clair. Nous devons creuser un peu plus.

Le prochain candidat est la réactivité. L’élément hydrogène est réactif. Il forme des composés avec d’autres éléments. Par exemple, l’hydrogène réagit avec l’oxygène pour former de l’eau, donc nous savons que l’oxygène est également réactif. Cependant, l’hélium est le moins réactif de tous les éléments, alors qu’il existe de nombreux composés pour les éléments du lithium au fluor. Mais comme l’hélium, le néon n’est pas réactif. Les éléments du sodium au chlore sont réactifs, mais pas l’argon. Et enfin, le potassium et le calcium sont réactifs, et nous n’irons pas plus loin pour le moment.

Ce que nous avons identifié est un schéma répétitif de comportement chimique. Mais plus important encore, nous observons un comportement périodique similaire pour les éléments compris entre l’hélium et le néon, et ceux entre le néon et l’argon. Nous voyons aussi que le même schéma se poursuit au-delà de l’argon avec le potassium et le calcium. Et nous avons même une place pour l’hydrogène, qui est plus semblable au lithium, au sodium et au potassium qu’au fluor et au chlore. Une bonne façon de représenter cette information est de regrouper l’hydrogène, le lithium, le sodium et le potassium dans une seule colonne ou un seul groupe. Et nous pouvons faire de même avec l’hélium, le néon et l’argon. Et nous pouvons faire la même chose avec les éléments intermédiaires, en laissant un espace vide entre l’hydrogène et l’hélium, parce que les données suggèrent que l’hydrogène devrait être au-dessus du lithium, et l’hélium devrait être au-dessus du néon.

Dans cet arrangement, les éléments de gauche à droite sont toujours classés en fonction du numéro atomique, mais ils sont alignés verticalement avec les éléments avec lesquels ils partagent un comportement chimique. Le comportement chimique qui se produit dans une période donnée, à mesure que nous augmentons le nombre atomique, est à l’origine du nom du tableau périodique. Au-delà du calcium, les choses deviennent un peu plus difficiles. Nous devons faire un grand saut dans le nombre atomique, jusqu’à 31, pour voir continuer le comportement périodique du bore et de l’aluminium. Nous avons donc un autre espace vide dans notre tableau périodique. Entre le calcium et le gallium, nous plaçons 10 métaux qui ont plus à voir les uns avec les autres qu’avec les éléments précédents: scandium, titane, vanadium, chrome, manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre et zinc.

C’est la première fois que nous rencontrons des éléments qui se comportent de la sorte. Donc, ces éléments se situent en haut de leur groupe. Au-delà du gallium, le germanium, l’arsenic, le sélénium, le brome et le krypton continuent le schéma de leurs groupes. Le tableau périodique moderne est construit par extension de ces principes, bien qu’il ne soit pas possible de parcourir tous les détails dans cette vidéo. Si nous élargissons pour inclure tous les éléments connus, nous obtenons un tableau comme celui-ci. Au fur et à mesure que nous nous rapprochons de la fin du tableau périodique, la différence de réactivité due à la structure électronique devient moins évidente. Ainsi, la structure électronique elle-même devient ce qui détermine la position d’un élément dans le tableau périodique.

Cette forme du tableau périodique est connue sous le nom de « forme longue ». Et elle n’est pas souvent utilisée car elle est très étendue et difficile à utiliser. C’est pourquoi cette sélection d’éléments est souvent déplacée sous le tableau. Cela nous donne la forme du tableau périodique que nous sommes le plus habitués à voir. Cette forme est plus facile à imprimer et à utiliser. Dans ce bloc flottant d’éléments en bas, l’élément en haut à gauche est le lanthane, donc les éléments le long de cette rangée sont appelés les lanthanides. Dans la rangée en dessous, le premier élément est l’actinium, donc cette rangée est connue sous le nom des actinides.

Passons maintenant en revue certaines des appellations qui sont données aux zones du tableau périodique, qui nous aident à regrouper les éléments par comportement ou caractère électronique. La division la plus simple du tableau périodique est la ligne entre les métaux et les non-métaux. Dans leur forme élémentaire, les éléments métalliques ont tendance à être brillants et conducteurs d’électricité, tandis que les éléments non métalliques ne sont ni l’un ni l’autre. Les éléments à gauche du tableau périodique ont tendance à être plus métalliques, mais l’hydrogène est une exception. C’est un non-métal. À droite, du côté non métallique de la séparation, nous avons des éléments comme le bore, le silicium, l’arsenic et le tellure. À mesure que nous arrivons en bas à droite du tableau périodique, les éléments deviennent plus rares et plus radioactifs, de sorte que la distinction non-métal/métal n’est pas aussi importante.

Sur le côté gauche de cette démarcation, nous avons les métaux aluminium, germanium et antimoine. Si vous examinez les propriétés de ces éléments près de la ligne, certains éléments semblent être à la fois des métaux et des non-métaux, et ont des propriétés qui se situent entre les extrêmes des deux groupes. Ceux-ci sont appelés les métalloïdes. Selon à qui vous demandez et combien vous êtes précis, certains éléments seront décrits comme un métalloïde ou comme un métal ou un non-métal.

Par exemple, le silicium est communément classé comme un non-métal, mais il est plus précisément classé comme métalloïde. D’un autre côté, le germanium est plus distinctement classé comme un métalloïde, mais aussi couramment comme un métal. Ce sont les éléments généralement considérés comme des métalloïdes, mais certaines personnes incluent le polonium et l’astate, et même l’aluminium et le carbone. Rappelez-vous que ces mots sont utilisés pour classifier les éléments. Et par conséquent, nous nous attendons à certains désaccords. L’important est que vous compreniez de quels éléments vous parlez lorsque vous utilisez ces mots.

Le mot-clé suivant appliqué au tableau périodique est groupe. Un groupe du tableau périodique est simplement une colonne, avec une famille d’éléments chimiquement ou électroniquement semblables. Par exemple, cette colonne de droite est un groupe. Certains des groupes ont des nombres, et nous comptons de gauche à droite. Certaines personnes ne comptent que les deux colonnes à gauche et les six colonnes à droite, ce qui donne huit groupes numérotés au total. Ceci est utile lorsque nous déterminons la valence, mais nous y reviendrons dans un instant.

Le schéma alternatif utilise 18 colonnes numérotées. Certaines familles et groupes d’éléments ont des noms spécifiques. Les métaux du groupe un sont appelés les métaux alcalins : lithium, sodium, potassium, rubidium, césium et francium. Mais l’hydrogène, un non-métal, n’est pas un métal alcalin. Les éléments du groupe deux du tableau périodique sont aussi connus sous le nom de métaux alcalino-terreux. Ce sont le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum et le radium. Certains groupes n’ont pas de noms spécifiques, et d’autres ont des noms moins utilisés, tels que les éléments du groupe 15 et du groupe 16, respectivement appelés pnictogènes et chalcogènes.

Mais les éléments du groupe 17, autrement appelés éléments du groupe sept, sont généralement connus sous le nom d’halogènes. Il s’agit du fluor, du chlore, du brome, de l’iode, de l’astate et du tennessine. Et enfin, les éléments du groupe 18, autrement connu comme le groupe huit ou même le groupe zéro, sont appelés les gaz nobles : l’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon, le radon et l’oganesson. Chaque groupe a ses propres caractéristiques chimiques distinctives. Par exemple, les gaz nobles ne sont pas réactifs, tandis que les métaux alcalins sont très réactifs.

Le groupe est utile pour prédire la valence des atomes des éléments dans les premières lignes du tableau périodique. La vision initiale de la valence était la puissance de combinaison d’un élément. Les atomes d’hydrogène ont une valence de un, tandis que les atomes d’oxygène ont une valence de deux. Cela signifie que lorsque l’hydrogène et l’oxygène se combinent pour former de l’eau, nous avons besoin de deux fois plus d’hydrogène. Ceci sont les valences générales des atomes des éléments des groupes un et deux et 13 à 18. Cependant, la valence est plus habituellement associée au nombre d’électrons sur la couche externe (ou couche de valence) d’un atome. Dans ce cas, la valence des éléments du groupe un et deux est un et deux, et la valence des éléments des groupes 13 à 18 est trois à huit.

Le nombre d’électrons de valence dans un atome est en grande partie ce qui détermine comment cet atome réagit. Il est donc logique que les éléments dont les atomes ont la même valence aient un comportement chimique similaire.

Maintenant que nous avons examiné les groupes verticaux, examinons les lignes horizontales. Les lignes du tableau périodique sont appelées des périodes, qui sont des ensembles d’éléments ayant le même nombre de couche électronique occupée. Cela semble plus compliqué que ça ne l’est. Alors laissez-moi vous expliquer. Chaque atome est constitué d’un noyau entouré d’un nuage d’électrons. Dans un modèle assez simple, nous pouvons décrire les électrons comme occupant des couches électroniques à différentes distances du noyau. Un atome d’hydrogène n’a qu’un seul électron, et nous trouvons généralement cet électron sur la première couche électronique. Donc, l’hydrogène se trouve dans la première période du tableau périodique. L’hélium est également dans la première période, parce que les atomes d’hélium n’ont que deux électrons qui se trouvent sur la première couche électronique.

Le lithium cependant est dans la deuxième période. Les atomes de lithium ont trois électrons, et il n’y a de l’espace sur la première couche que pour deux électrons. Donc, le troisième électron va dans la deuxième couche électronique. Nous voyons quelque chose de similaire lorsque nous arrivons au sodium. La plus haute couche électronique occupée pour les atomes de sodium est la troisième couche électronique. Cette tendance se poursuit tout au long du tableau périodique. Dans les atomes de francium, la plus haute couche électronique occupée est la septième couche électronique. Nous pouvons donc utiliser le tableau périodique et les diagrammes de couches électroniques, pour convertir le numéro de la période en numéro de la plus haute couche occupée.

Le modèle des couches électroniques ne tient pas suffisamment compte de tous les comportements électroniques des atomes des éléments, nous devons donc aller un peu plus loin. Les couches électroniques peuvent en fait contenir ce que nous appelons des sous-couches, qui contiennent des orbitales de différentes formes. Les types habituels de sous-couches sont s, p, d et f. Les couches les plus éloignées du noyau peuvent comprendre plus de sous-couches. La première couche électronique ne contient qu’une sous-couche de type s. La deuxième contient une sous-couche de type s et une de type p. La troisième contient des sous-couches de type s, p et d, tandis que la quatrième couche électronique contient des sous-couches de type s, p, d et f.

Vous ne devez pas vous inquiéter de l’impact des autres types de sous-couches sur le tableau périodique. Nous pouvons regrouper les éléments en fonction du type de sous-couche dans lequel se trouvent les électrons de valence des atomes de cet élément. Par exemple, on dit que l’hydrogène et l’hélium sont dans le bloc s parce que les électrons externes des atomes d’hydrogène et d’hélium sont sur une sous-couche de type s. Et on dit que les éléments des groupes un et deux font également partie du bloc s.

Tous les éléments du groupe 13 au groupe 18, à l’exception de l’hélium, font partie du bloc p. Entre le bloc s et le bloc p, nous avons le bloc d, qui dans certaines interprétations inclut également le lanthane et l’actinium. Et la majorité des éléments de la section flottante sous le tableau est le bloc f. Vous pourriez voir le lanthane et l’actinium comme faisant partie du bloc f. En général, ce n’est pas une distinction si importante en ce qui concerne les applications pratiques.

Le dernier ensemble important d’éléments que nous devons traiter est celui des métaux de transition ou des éléments de transition. Les éléments de ce groupe particulier sont durs et denses dans leur forme élémentaire, et ont tendance à former des composés colorés et de multiples types d’ions. Le fer est un bon exemple de métal de transition. Il est dur et dense, et se trouve généralement dans des composés colorés contenant des ions Fe2+ ou Fe3+. De manière générale, ceci sont les éléments considérés comme des métaux de transition, la plupart des éléments du bloc d et tous ceux du bloc f. Certaines descriptions des métaux de transition excluent le scandium et l’yttrium, et certaines définitions incluent également des éléments supplémentaires.

Mais la distinction la plus importante à faire est que, souvent, seuls les métaux de transition du bloc d sont pris en compte lorsque nous parlons de métal de transition. Lorsque nous parlons de métaux de transition dans le bloc f, nous parlerons de « métaux de transition interne ». Oui, cela porte à confusion, mais malheureusement, c’est le résultat de différentes définitions du métal de transition. Assurez-vous simplement de savoir quelle définition vous utilisez.

Donc, pour résumer les points clés, le tableau périodique condense beaucoup d’informations sur les éléments. Chaque élément reçoit une case contenant son numéro atomique, son symbole d’élément, le nom de l’élément et la masse atomique. Les éléments sont ensuite disposés en fonction du numéro atomique et des caractéristiques chimiques et/ou électroniques. Les éléments peuvent être classifiés comme métaux, métalloïdes ou non-métaux. Le groupe et la période peuvent être utilisés pour déterminer la valence et le numéro de la plus haute couche électronique occupée pour les atomes des éléments. Et les zones du tableau périodique peuvent être divisées en blocs s, p, d et f. Et nous trouverons des métaux de transition dans les blocs d et f.

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