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Chimie 3ᵉ

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Tableau périodique : éléments, périodes et familles

Lire une case du tableau (numéro atomique, symbole, masse atomique) ; le classement de Mendeleïev, ses cases vides et le classement actuel par Z ; périodes et colonnes pour situer un élément ; les familles et les prévisions par analogie ; métaux, non-métaux, métalloïdes et ion prévu par la colonne

À propos de cette page
Ce cours de chimie de 3e apprend à se servir du tableau périodique en cinq parties : lire une case (numéro atomique Z, symbole, masse atomique) ; l’histoire du classement, de Mendeleïev et ses cases vides au numéro atomique ; les périodes et les colonnes pour situer un élément ; les familles (alcalins, alcalino-terreux, halogènes, gaz nobles) et les prévisions par analogie ; les métaux, les non-métaux et l’ion prévu par la colonne.
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Lire une case : symbole, numéro atomique, masse atomique

Ce qu’il faut savoir La classification périodique (ou tableau périodique) range les 118 éléments chimiques connus, un par case. Rappel : un élément est défini par son numéro atomique Z, le nombre de protons du noyau (Atome : noyau, électrons et neutralité), et il se note par un symbole (Atomes et molécules, 5e).
Une case donne au moins :
• le numéro atomique Z, un nombre entier : c’est le nombre de protons du noyau, et aussi le nombre d’électrons de l’atome, qui est électriquement neutre ;
• le symbole : une lettre majuscule, parfois suivie d’une minuscule ;
• le nom de l’élément.
Elle donne souvent aussi la masse atomique, un nombre décimal, proche du nombre de nucléons de l’atome le plus courant : elle sert à comparer les masses des atomes. Ce n’est ni un nombre de protons, ni un nombre d’électrons.
Certains symboles viennent d’un nom ancien, souvent latin : on ne les devine pas, on les lit dans le tableau.
14Sisilicium28,09numéro atomique Zsymbolenommasse atomique

La case du silicium. Les tableaux ne disposent pas tous les nombres au même endroit : le numéro atomique est toujours l’entier.

Exemples

Lire une case. La case du silicium porte 14, Si, silicium et 28,09. Z = 14 : le noyau contient 14 protons et l’atome, neutre, 14 électrons. 28,09 est la masse atomique, pas un nombre de particules.

Lire un symbole. Le potassium s’écrit K (de son nom latin kalium), l’argent Ag (argentum), le plomb Pb (plumbum) : on ne les devine pas à partir du nom français.

Retrouver un élément. Un atome neutre possède 20 électrons : il a donc 20 protons, Z = 20. Dans le tableau, la case 20 est celle du calcium, Ca.

Réflexe — dans une case, je repère d’abord le nombre entier : c’est Z. Z = nombre de protons = nombre d’électrons de l’atome.

Attention — ne confonds pas Z, toujours entier, et la masse atomique, décimale : l’atome de silicium n’a pas 28,09 protons. Respecte majuscules et minuscules : Si est le silicium, S le soufre.

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Le classement : de Mendeleïev au numéro atomique

Ce qu’il faut savoir • En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev range les 63 éléments alors connus par masse atomique croissante. Il va à la ligne de façon que les éléments aux propriétés semblables se retrouvent dans une même colonne : les propriétés reviennent à intervalles réguliers, d’où le nom de classification périodique.
• Quand aucun élément connu ne convient à une place, il laisse une case vide et, en 1871, il prévoit les propriétés des éléments manquants à partir de leurs voisins. Trois prévisions se vérifient : le gallium est découvert en 1875, le scandium en 1879, le germanium en 1886, avec des propriétés proches de celles annoncées. Un classement qui prévoit des découvertes devient un outil scientifique.
• Estimer par les voisins. Quand trois éléments se suivent dans une colonne et que le Z de celui du milieu est la moyenne des deux autres, sa masse atomique est proche de la moyenne de leurs masses. C’est une estimation, que l’on compare ensuite à la mesure.
• Quelques éléments ne suivent pas l’ordre des masses : pour respecter les familles, Mendeleïev a placé le tellure (127,6) avant l’iode (126,9). En 1913-1914, le physicien anglais Henry Moseley montre que le bon critère est le numéro atomique Z. Aujourd’hui, les éléments sont rangés par Z croissant : d’une case à la suivante, il y a un proton de plus.
• On connaît aujourd’hui 118 éléments ; les quatre derniers ont reçu leur nom en 2016. 94 existent dans la nature, les autres ont été fabriqués en laboratoire.
Exemples

Une prévision vérifiée. Mendeleïev annonce pour l’« éka-bore » une masse atomique d’environ 44 ; le scandium, découvert en 1879, a une masse atomique de 44,96. Écart : 44,96 − 44 = 0,96, soit 0,96 ÷ 44,96 ≈ 0,021 = 2,1 % de la valeur mesurée.

Estimer par les voisins. Dans la colonne 2 se suivent le calcium (Z = 20, masse 40,08), le strontium (Z = 38) et le baryum (Z = 56) ; 38 est bien la moyenne de 20 et 56. Masse estimée du strontium : (40,08 + 137,3) ÷ 2 = 88,69. Mesure : 87,62. L’estimation est juste à environ 1 près.

Classer par Z. Le tellure a Z = 52 et l’iode Z = 53 : en classant par Z, le tellure vient avant l’iode sans rien forcer, et l’iode se place sous le brome, auquel il ressemble.

Réflexe — pour prévoir, je pars des voisins de colonne ; pour juger une prévision, je calcule l’écart, la différence entre la mesure et la prévision (la plus grande moins la plus petite), puis je le compare à la mesure (écart ÷ mesure).

Attention — Mendeleïev ne connaissait ni les protons ni Z : il classait par masse. La moyenne ne marche que si les Z sont régulièrement espacés : le sodium (11), le potassium (19) et le rubidium (37) ne conviennent pas, car 19 n’est pas la moyenne de 11 et 37.

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Périodes et colonnes : situer un élément

Ce qu’il faut savoir • Une ligne du tableau est une période : il y en a 7. Une colonne est un groupe, ou une famille : il y en a 18, numérotées de 1 à 18.
• Les éléments se suivent par Z croissant, de gauche à droite, ligne après ligne. Chaque période se termine par un élément de la colonne 18 ; l’élément suivant commence la période suivante, en colonne 1.
• Les périodes n’ont pas la même longueur. Dans les périodes 1 à 3, les colonnes 3 à 12 sont vides : après la colonne 2 vient la colonne 13. À partir de la période 4, les 18 colonnes sont occupées, dans l’ordre.
PériodePremier élémentDernier élémentNombre d’éléments
1H (Z = 1)He (Z = 2)2
2Li (Z = 3)Ne (Z = 10)8
3Na (Z = 11)Ar (Z = 18)8
4K (Z = 19)Kr (Z = 36)18
5 à 7……18, puis 32 et 32
• Situer un élément : je trouve sa période grâce à Z, puis je compte les cases depuis le début de la ligne.
• De la période 2 à la période 3, l’élément situé juste en dessous d’un autre a 8 protons de plus, car la période 2 compte 8 éléments. Plus bas, l’écart peut être plus grand : sous le chlore (Z = 17) vient le brome (Z = 35).
1213141516171811H2He23Li4Be5B6C7N8O9F10Ne311Na12Mg13Al14Si15P16S17Cl18Ar419K20Ca31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr↑ colonnes 3 à 12, dès la période 4

Extrait du tableau : le petit nombre est Z. Entre les colonnes 2 et 13 s’intercalent, à partir de la période 4, les colonnes 3 à 12 (du scandium au zinc).

Exemples

Situer le soufre. Z = 16 est entre 11 et 18 : période 3. Dans la ligne : Na (11) colonne 1, Mg (12) colonne 2, puis Al (13) colonne 13… jusqu’à S (16) en colonne 16.

Trouver par la position. Période 2, colonne 15 : Li (3) colonne 1, Be (4) colonne 2, B (5) colonne 13, C (6) colonne 14, N (7) colonne 15. C’est l’azote, Z = 7.

Changer de ligne. L’argon (Z = 18) termine la période 3. Le potassium (Z = 19) commence la période 4, en colonne 1, sous le sodium.

Descendre d’une case. Le fluor (Z = 9) est en période 2, colonne 17 ; juste en dessous : Z = 9 + 8 = 17, le chlore.

Réflexe — Z → période (je regarde entre quels Z se trouve l’élément) → rang dans la ligne → colonne.

Attention — le numéro de colonne n’est pas Z : le magnésium (Z = 12) est en colonne 2. Dans les périodes 2 et 3, ne compte pas les colonnes 3 à 12, vides. L’hélium est en colonne 18, avec les autres gaz nobles, même si la période 1 ne compte que 2 éléments.

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Les familles : des propriétés qui se ressemblent

Ce qu’il faut savoir Les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques voisines : ils forment une famille. (Pourquoi ? Cela tient à la disposition des électrons autour du noyau : on le verra en 2de.)
FamilleColonneExemplesPropriétés
alcalins1 (sauf H)Li, Na, K, Rb, Csmétaux mous (ils se coupent au couteau) ; réagissent vivement avec l’eau en dégageant du dihydrogène, d’autant plus vivement qu’ils sont bas dans la colonne ; conservés dans l’huile
alcalino-terreux2Be, Mg, Ca, Sr, Bamétaux moins réactifs que les alcalins ; le calcium, le strontium et le baryum réagissent avec l’eau, d’autant plus vivement qu’ils sont bas dans la colonne
halogènes17F, Cl, Br, Inon-métaux très réactifs, faits de molécules de deux atomes (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) ; avec les métaux, ils forment des sels comme le chlorure de sodium NaCl
gaz nobles18He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rngaz faits d’atomes isolés, qui ne réagissent presque jamais
• L’hydrogène, placé en colonne 1, n’est pas un alcalin : c’est un gaz non métallique.
• Les gaz nobles servent là où il ne faut aucune réaction : l’hélium, ininflammable, gonfle ballons et dirigeables (le dirigeable Hindenburg, gonflé au dihydrogène, a brûlé en 1937) ; le néon donne la lumière rouge-orangé des enseignes ; l’argon remplit les ampoules à filament et protège les soudures de l’air ; le xénon éclaire les lampes très puissantes des projecteurs de cinéma.
• Prévoir par analogie : deux éléments d’une même colonne forment des composés de même formule et réagissent de la même façon ; certaines propriétés varient régulièrement le long de la colonne. Ainsi, à 20 °C, le difluor et le dichlore sont des gaz, le dibrome un liquide, le diiode un solide.
Exemples

Même formule. Le lithium et le chlore forment LiCl ; le potassium, dans la colonne du lithium, forme KCl. Le carbone forme le dioxyde de carbone CO₂ ; le silicium, juste en dessous, forme SiO₂, la silice du sable.

Prévoir une réaction. Le rubidium (Z = 37) est sous le potassium dans la colonne 1 : on prévoit qu’il réagit avec l’eau encore plus violemment que le potassium, ce que confirme l’expérience.

Une tendance. F₂ et Cl₂ gazeux, Br₂ liquide, I₂ solide : en descendant la colonne 17, les corps simples passent du gaz au solide à 20 °C.

Réflexe — même colonne → même famille → je prévois par analogie (formule, réaction), en tenant compte du sens dans lequel la propriété varie.

Attention — une ligne n’est pas une famille : le sodium, métal, et le chlore, gaz toxique, sont tous deux dans la période 3. Et le sens de variation dépend de la famille : chez les alcalins, la réactivité augmente vers le bas ; chez les halogènes, elle diminue.

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Métaux, non-métaux et ions prévus par la colonne

Ce qu’il faut savoir • Les métaux occupent la gauche et le centre du tableau : plus des trois quarts des éléments. Ils sont brillants, bons conducteurs de l’électricité et de la chaleur, et se déforment sans casser. Tous sont solides à 20 °C, sauf le mercure, liquide.
• Les non-métaux sont en haut à droite, avec l’hydrogène : beaucoup sont des gaz (dioxygène, diazote, dichlore, gaz nobles), un est liquide (le brome), d’autres sont solides (carbone, soufre, iode). Ils conduisent mal le courant, sauf le carbone graphite.
• Entre les deux, sur une ligne en escalier, les métalloïdes : bore, silicium, germanium, arsenic, antimoine, tellure. Le silicium est un semi-conducteur : il conduit un peu, et de façon réglable, d’où son emploi dans les puces électroniques et les panneaux solaires.
1234567891011121314151617181234567******Hmétauxmétalloïdesnon-métauxgaz noblespropriétés mal connues

Le tableau complet, colorié. Les cases * et ** renvoient aux deux lignes du bas (15 éléments chacune), écrites à part pour que le tableau tienne en largeur.

Ce qu’il faut savoir • Un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons (voir le chapitre Ions : cations, anions et tests d’identification). La colonne permet de prévoir l’ion d’un élément :
Colonne1213161718
Électrons1 perdu2 perdus3 perdus2 gagnés1 gagnéaucun
IonX⁺X²⁺X³⁺X²⁻X⁻pas d’ion
• Les métaux des colonnes 1, 2 et 13 perdent des électrons : ils forment des ions positifs (cations). Les non-métaux des colonnes 16 et 17 en gagnent : ils forment des ions négatifs (anions). Les gaz nobles ne forment pas d’ion.
• Repère, valable pour les colonnes 1, 2, 16 et 17 et pour l’aluminium : l’ion formé a autant d’électrons que le gaz noble le plus proche dans le tableau.
• Élément, corps simple, ion : le même élément peut se trouver sous des formes aux propriétés opposées.
Exemples

Métal ou non-métal ? Le zinc (période 4, colonne 12) est au centre du tableau : c’est un métal. Le brome (colonne 17), en haut à droite, est un non-métal. Le bore, sur l’escalier, est un métalloïde.

Prévoir un ion. Le césium (Z = 55) est en colonne 1 : il perd un électron et forme Cs⁺, avec 55 − 1 = 54 électrons, comme le xénon (Z = 54), le gaz noble le plus proche. L’oxygène (Z = 8) est en colonne 16 : il gagne deux électrons et forme O²⁻, avec 8 + 2 = 10 électrons, comme le néon.

Trois formes du sodium. Le corps simple sodium Na est un métal mou qui réagit vivement avec l’eau ; l’ion sodium Na⁺, présent dans le sel de cuisine, est sans danger. C’est le même élément (Z = 11), mais pas la même espèce.

Réflexe — colonne 1, 2 ou 13 → l’atome perd 1, 2 ou 3 électrons ; colonne 16 ou 17 → il en gagne 2 ou 1 ; colonne 18 → pas d’ion. Je vérifie : autant d’électrons que le gaz noble le plus proche.

Attention — cette règle ne vaut que pour ces colonnes : les métaux du centre (fer, cuivre, zinc…) forment des ions qu’il faut connaître (chapitre Ions). Un ion garde ses Z protons : seul son nombre d’électrons change.

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Pour aller plus loin

Revoir. Les symboles des atomes et les formules : Atomes et molécules (5e). Les éléments de l’Univers, de la croûte terrestre et du corps humain, et leur fabrication dans les étoiles : Univers : galaxies, système solaire et éléments chimiques (4e).

Dans les autres chapitres de 3e. Protons, neutrons, électrons, numéro atomique et neutralité de l’atome : Atome : noyau, électrons et neutralité. Former, écrire et nommer un ion, compter ses électrons, solutions ioniques et tests d’identification : Ions : cations, anions et tests d’identification. Écrire des équations de réaction avec des ions : Équations de réaction avec des ions.

Se verra en 2de. La répartition des électrons autour du noyau, en couches : elle explique pourquoi les éléments d’une même colonne se ressemblent, pourquoi les gaz nobles ne réagissent presque pas et pourquoi l’ion formé a autant d’électrons que le gaz noble le plus proche.

À retenir
  • Une case du tableau donne le numéro atomique Z (entier : nombre de protons, et d’électrons de l’atome), le symbole, le nom et souvent la masse atomique (décimale).
  • Mendeleïev (1869) classait 63 éléments par masse croissante et laissait des cases vides : gallium, scandium et germanium ont confirmé ses prévisions. Aujourd’hui : 118 éléments rangés par Z croissant.
  • 7 périodes (lignes) et 18 colonnes (familles) ; chaque période se termine en colonne 18 ; de la période 2 à la période 3, la case du dessous a 8 protons de plus.
  • Même colonne = même famille = propriétés chimiques voisines : alcalins (1), alcalino-terreux (2), halogènes (17), gaz nobles (18). On prévoit par analogie.
  • Métaux à gauche et au centre, non-métaux en haut à droite, métalloïdes entre les deux. Colonnes 1, 2, 13 → X⁺, X²⁺, X³⁺ ; 16, 17 → X²⁻, X⁻ ; 18 → pas d’ion.

Questions fréquentes

Que lit-on dans une case du tableau périodique ?

Le numéro atomique Z (un entier : le nombre de protons du noyau, et donc d’électrons de l’atome neutre), le symbole, le nom et souvent la masse atomique, un nombre décimal qui sert à comparer les masses des atomes.

Comment Mendeleïev a-t-il construit son tableau ?

En 1869, il a rangé les 63 éléments connus par masse atomique croissante, en plaçant dans une même colonne ceux qui se ressemblent. Il a laissé des cases vides et prévu les éléments manquants : gallium (1875), scandium (1879) et germanium (1886) lui ont donné raison. Aujourd’hui, on range les 118 éléments par numéro atomique croissant.

Comment trouver la période et la colonne d’un élément ?

On cherche entre quels numéros atomiques il se trouve (période 1 : 1 et 2 ; période 2 : 3 à 10 ; période 3 : 11 à 18 ; période 4 : 19 à 36), puis on compte ses cases depuis le début de la ligne, sans oublier que les colonnes 3 à 12 sont vides en périodes 2 et 3.

Pourquoi les éléments d’une même colonne se ressemblent-ils ?

Ils forment une famille aux propriétés chimiques voisines : alcalins (colonne 1), alcalino-terreux (2), halogènes (17), gaz nobles (18). On peut donc prévoir par analogie : le potassium forme KCl comme le lithium forme LiCl. L’explication, liée à la disposition des électrons, se voit en 2de.

Comment prévoir l’ion formé par un élément ?

Par sa colonne : les métaux des colonnes 1, 2 et 13 perdent 1, 2 ou 3 électrons (X⁺, X²⁺, X³⁺), les non-métaux des colonnes 16 et 17 en gagnent 2 ou 1 (X²⁻, X⁻), les gaz nobles ne forment pas d’ion. Pour les colonnes 1, 2, 16 et 17 et pour l’aluminium, l’ion a autant d’électrons que le gaz noble le plus proche.

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