Collège · 3ᵉ · Chimie
La classification périodique
Familles chimiques, électrons de valence et propriétés
À propos de cette page
Ce cours de chimie en troisième sur « La classification périodique » suit le programme officiel de chimie de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Mettre de l'ordre dans les éléments, Périodes et familles : lire le tableau, Pourquoi une colonne = une famille, Les familles à connaître. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en chimie.
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Mettre de l'ordre dans les éléments
En 1869, on connaît 63 éléments chimiques et aucune règle pour les ranger. Le chimiste russe Dmitri Mendeleïev les classe par masse atomique croissante et remarque que des propriétés semblables reviennent périodiquement : il aligne ces éléments dans une même colonne.
Le coup de génie. Quand les propriétés ne suivent pas, Mendeleïev laisse une case vide et annonce qu'un élément encore inconnu la remplira. Le gallium (1875), le scandium (1879) et le germanium (1886) sont découverts avec les propriétés prévues. Un classement qui prédit : c'est une théorie scientifique.
Aujourd'hui. Le tableau classe les éléments par numéro atomique Z croissant (nombre de protons), et non plus par masse. Il compte 118 éléments, dont une petite centaine existent dans la nature ; les autres ont été fabriqués en laboratoire.
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Périodes et familles : lire le tableau
Période : une ligne du tableau. Il y en a 7. Famille (ou groupe) : une colonne. Il y en a 18. Les éléments d'une même famille ont des propriétés chimiques voisines.
| Période | Éléments (Z) | Nombre |
|---|---|---|
| 1 | H (1), He (2) | 2 |
| 2 | Li (3) → Ne (10) | 8 |
| 3 | Na (11) → Ar (18) | 8 |
| 4 | K (19) → Kr (36) | 18 |
Se repérer. Le sodium Na (Z = 11) ouvre la 3e période, colonne 1 ; le chlore Cl (Z = 17) est en 3e période, colonne 17 ; l'argon Ar (Z = 18) ferme la ligne, colonne 18. Dans une période, on avance d'une case à chaque proton ajouté.
Lire dans le bon sens. Même colonne = même famille = même comportement chimique. Même ligne = même période, mais des propriétés qui changent d'un bout à l'autre : le sodium (métal mou qui explose dans l'eau) et le chlore (gaz toxique) sont sur la même ligne.
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Pourquoi une colonne = une famille
Dans le modèle des couches (K : 2, L : 8, M : 8), les électrons de la couche externe gouvernent la chimie de l'atome. Or, en avançant dans le tableau, on remplit les couches une à une :
| Colonne | Électrons externes | Période 2 | Période 3 |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | Li K(2)L(1) | Na K(2)L(8)M(1) |
| 2 | 2 | Be K(2)L(2) | Mg K(2)L(8)M(2) |
| 16 | 6 | O K(2)L(6) | S K(2)L(8)M(6) |
| 17 | 7 | F K(2)L(7) | Cl K(2)L(8)M(7) |
| 18 | 8 (couche pleine) | Ne K(2)L(8) | Ar K(2)L(8)M(8) |
Deux règles de lecture (pour Z ≤ 18). Le numéro de la période = nombre de couches occupées. Le nombre d'électrons externes = numéro de la colonne pour les colonnes 1 et 2, numéro de la colonne − 10 pour les colonnes 13 à 18.
Exemple. Le phosphore P (Z = 15) : K(2)L(8)M(5) → 3 couches → période 3 ; 5 électrons externes → colonne 15. L'azote N (Z = 7), K(2)L(5), est juste au-dessus : même famille, mêmes composés (NH3 et PH3).
La propriété qui explique tout. Deux atomes d'une même colonne ont le même nombre d'électrons externes : ils perdent, gagnent ou partagent les électrons de la même façon. C'est pour cela que leurs propriétés se ressemblent.
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Les familles à connaître
| Famille | Colonne | Membres | Propriétés |
|---|---|---|---|
| alcalins | 1 | Li, Na, K, Rb, Cs | métaux mous, légers, réagissent violemment avec l'eau (2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2) ; conservés dans l'huile ; réactivité croissante vers le bas |
| alcalino-terreux | 2 | Be, Mg, Ca, Sr, Ba | métaux plus durs, réagissent avec l'eau lentement ; le magnésium brûle avec une lumière éblouissante |
| halogènes | 17 | F, Cl, Br, I | non-métaux très réactifs, molécules à 2 atomes (F2 gaz jaune, Cl2 gaz vert, Br2 liquide brun, I2 solide gris-violet) ; forment des sels avec les métaux |
| gaz nobles | 18 | He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn | gaz à un seul atome, ne réagissent presque jamais : couche externe pleine |
Usages des gaz nobles. Hélium : ballons et dirigeables (léger et ininflammable, contrairement au dihydrogène). Néon : enseignes rouge-orangé. Argon : ampoules et soudure, pour empêcher l'oxydation. Xénon : phares et flashs.
L'hydrogène, à part. Placé en colonne 1 parce qu'il a un électron externe, il n'est pas un alcalin : c'est un gaz non métallique. Le tableau est un outil, pas une loi absolue.
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Prévoir les ions et les formules
La règle. Un atome forme l'ion qui lui donne la couche externe pleine du gaz noble le plus proche : les colonnes de gauche perdent leurs quelques électrons externes, les colonnes de droite en gagnent.
| Colonne | Ion formé | Exemples |
|---|---|---|
| 1 | X+ | Li+, Na+, K+ |
| 2 | X2+ | Mg2+, Ca2+, Ba2+ |
| 13 | X3+ | Al3+ |
| 16 | X2− | O2−, S2− |
| 17 | X− | F−, Cl−, Br−, I− |
| 18 | aucun | Ne, Ar |
Écrire la formule d'un sel. Un composé ionique est neutre : autant de charges + que de charges −. Sodium + chlore : Na+ et Cl− → NaCl. Magnésium + chlore : Mg2+ et Cl− → il faut deux Cl− : MgCl2. Aluminium + oxygène : Al3+ et O2− → deux Al (6+) pour trois O (6−) : Al2O3.
La prédiction marche. Sans jamais avoir vu le rubidium, on sait qu'il est en colonne 1 : il formera Rb+, le sel RbCl, et réagira avec l'eau plus violemment que le potassium. C'est exactement ce que faisait Mendeleïev.
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Métaux et non-métaux
| Métaux | Non-métaux | |
|---|---|---|
| Place | gauche et centre (environ 3/4 des éléments) | en haut à droite, plus l'hydrogène |
| Aspect | brillants, gris (sauf cuivre et or) | ternes, colorés ou incolores |
| Électricité, chaleur | bons conducteurs | isolants (sauf le carbone graphite) |
| Mécanique | malléables, ductiles (fils) | cassants s'ils sont solides |
| État à 20 °C | solides, sauf le mercure (liquide) | gaz (O, N, Cl…), liquide (brome), solides (C, S, I) |
| Ions | cations (perdent des électrons) | anions (gagnent des électrons) |
Entre les deux : les métalloïdes. Bore, silicium, germanium, arsenic… sur la diagonale qui sépare métaux et non-métaux. Le silicium est un semi-conducteur : il conduit un peu, et de façon réglable, d'où les puces électroniques et les panneaux solaires.
Élément ≠ corps simple. « Le chlore » désigne l'élément (colonne 17) ; le gaz des piscines est le dichlore Cl2, toxique, alors que l'ion chlorure Cl− du sel de cuisine est inoffensif. Même élément, comportements opposés.
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Les éléments autour de nous
| Où ? | Éléments dominants (% de la masse) |
|---|---|
| Univers | hydrogène 74 %, hélium 24 %, tout le reste 2 % |
| croûte terrestre | oxygène 46 %, silicium 28 %, aluminium 8 %, fer 5 %, calcium 4 % |
| corps humain | oxygène 65 %, carbone 18 %, hydrogène 10 %, azote 3 %, calcium 1,5 %, phosphore 1 % |
| eau de mer (sels) | chlore et sodium (le sel), puis magnésium, soufre, calcium, potassium |
Calculer une masse. Un élève de 50 kg contient environ $50 \times 0{,}18 = 9$ kg de carbone et $50 \times 0{,}015 = 0{,}75$ kg de calcium, presque tout dans les os et les dents.
Les oligo-éléments. Fer (globules rouges), iode (thyroïde), zinc, cuivre, fluor (dents) : quelques grammes ou milligrammes, mais indispensables. Le sel de table iodé apporte 15 à 20 mg d'iode par kilogramme de sel.
En bref
- Le tableau périodique (Mendeleïev, 1869) classe les 118 éléments par Z croissant : 7 périodes (lignes), 18 familles (colonnes).
- Même colonne = même nombre d'électrons externes = propriétés chimiques voisines. Numéro de période = nombre de couches (Z ≤ 18).
- Familles : alcalins (1, Na, K : réagissent avec l'eau), alcalino-terreux (2, Mg, Ca), halogènes (17, F, Cl, Br, I), gaz nobles (18, He, Ne, Ar : inertes, couche pleine).
- Ions : colonne 1 → X+, 2 → X2+, 16 → X2−, 17 → X−. Formule d'un sel : neutralité (MgCl2, Al2O3).
- Métaux à gauche (conducteurs, cations), non-métaux en haut à droite (anions), métalloïdes (Si) entre les deux.
- Élément ≠ corps simple : le dichlore Cl2 est toxique, l'ion chlorure Cl− est dans le sel.
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