Tableau periodique des elements

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Tableau periodique des elements

Tableau périodique des éléments

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Le tableau p√©riodique des √©l√©ments, √©galement appel√© table de Mendele√Įev, classification p√©riodique des √©l√©ments (CPE) ou simplement tableau p√©riodique, repr√©sente tous les √©l√©ments chimiques, ordonn√©s par num√©ro atomique croissant et organis√©s en fonction de leur configuration √©lectronique, laquelle sous-tend leurs propri√©t√©s chimiques.

Son invention est g√©n√©ralement attribu√©e au chimiste russe Dmitri Mendele√Įev, qui construisit en 1869 une table diff√©rente de celle qu'on utilise aujourd'hui[1] mais similaire dans son principe, dont le grand int√©r√™t √©tait de proposer une classification syst√©matique des √©l√©ments chimiques connus √† l'√©poque en vue de souligner la p√©riodicit√© de leurs propri√©t√©s chimiques, d'identifier les √©l√©ments qui restaient √† d√©couvrir, et m√™me de pouvoir pr√©dire les propri√©t√©s de ces √©l√©ments alors inconnus.

Le tableau p√©riodique a connu de nombreux r√©ajustements depuis lors jusqu'√† prendre la forme que nous lui connaissons aujourd'hui, et est devenu un r√©f√©rentiel universel auquel peuvent √™tre rapport√©s tous les types de comportements physique et chimique des √©l√©ments. En juin 2009, sa forme standard comportait 117 √©l√©ments, allant de 1H √† 118Uuo, √† l'exception de l'√©l√©ment 117 qui n'a pas encore √©t√© synth√©tis√©.

Sommaire

Le tableau périodique standard

Ce tableau est la représentation la plus usuelle de la classification des éléments chimiques. Certains chimistes ont proposé d'autres façons de classer les éléments, mais celles-ci restent bornées au domaine scientifique.

Tableau périodique des éléments
> 1
I A
2
II A
3
III B
4
IV B
5
V B
6
VI B
7
VII B
8
VIII B
9
VIII B
10
VIII B
11
I B
12
II B
13
III A
14
IV A
15
V A
16
VI A
17
VII A
18
VIII A
V
1 1
H

2
He
2 3
Li
4
Be

5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
3 11
Na
12
Mg

13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
4 19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
5 37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
6 55
Cs
56
Ba
*
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
7 87
Fr
88
Ra
**
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Uub[2]
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
Uus
118
Uuo
 
* Lanthanides 57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
** Actinides 89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr


M√©tallo√Įdes Non-m√©taux Halog√®nes Gaz nobles
M√©taux alcalins  M√©taux alcalino-terreux  M√©taux de transition M√©taux pauvres
  Lanthanides Actinides


Dans des conditions normales de temp√©rature et de pression (¬įC, atm) :

  • Les √©l√©ments dont le num√©ro atomique est rouge sont gazeux ;
  • Les √©l√©ments dont le num√©ro atomique est bleu sont liquides ‚ÄĒ il n'y en a que deux √† ¬įC : le brome (35) et le mercure (80)[3] ;
  • Les √©l√©ments dont le num√©ro atomique est noir sont solides.

Dans la nature :

  • Les √©l√©ments avec une bordure continue grise peuvent √™tre trouv√©s naturellement sur Terre, sous la forme d'un ou plusieurs isotopes stables.
  • Les √©l√©ments avec une bordure en tirets fins noirs apparaissent naturellement lors de la d√©sint√©gration d'autres √©l√©ments chimiques, mais n'ont pas d'isotopes plus anciens que la Terre.
  • Les √©l√©ments sans bordure n'ont pas encore √©t√© observ√©s ‚ÄĒ au 30 juin 2009, il n'en restait plus qu'un : l'√©l√©ment 117.

Construction du tableau

  s1 s2 f d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba * Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra * Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
  ‚Üď  
  f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14  
  * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
  * Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
 
  Bloc s Bloc f Bloc d Bloc p

Dans la mesure o√Ļ les propri√©t√©s physicochimiques des √©l√©ments reposent sur leur configuration √©lectronique, cette derni√®re est sous-jacente √† l'agencement du tableau p√©riodique. Ainsi, chaque ligne du tableau (appel√©e p√©riode) correspond √† une couche √©lectronique, identifi√©e par son nombre quantique principal, not√© n : il y a sept couches √©lectroniques connues √† l'√©tat fondamental, donc sept p√©riodes dans le tableau p√©riodique standard, num√©rot√©es de 1 √† 7. Chaque p√©riode est elle-m√™me scind√©e en un nombre variable de blocs, qui correspondent aux orbitales atomiques, identifi√©es par leur nombre quantique secondaire, not√© l : il y a quatre types d'orbitales atomiques connues √† l'√©tat fondamental, not√©es s, p, d et f (ces lettres viennent d'abr√©viations utilis√©es initialement en spectroscopie) et pouvant contenir chacune respectivement 2, 6, 10 et 14 √©lectrons ; c'est la raison pour laquelle on parle de bloc s, bloc p, bloc d et bloc f.

Si l'on respecte la construction du tableau par blocs en fonction des orbitales atomiques, l'h√©lium doit se trouver au-dessus du b√©ryllium dans la colonne 2 (celle dont les atomes ont une sous-couche externe ns2) et non au-dessus du n√©on dans la colonne 18 (dont les atomes ont une sous-couche externe np6), comme c'est le cas dans la petite table ci-contre ; l'h√©lium est positionn√© usuellement dans la colonne 18 car c'est celle des gaz rares, dont il fait chimiquement partie.

Règle de Klechkowski

Toutes les sous-couches d'une p√©riode n'appartiennent pas forc√©ment √† la m√™me couche √©lectronique (c'est le cas √† partir de la quatri√®me p√©riode) : √† partir de la troisi√®me couche √©lectronique, les sous-couches d'une m√™me couche sont en effet r√©parties sur plusieurs p√©riodes ; les √©lectrons se distribuent en fait sur les diff√©rents niveaux d'√©nergie quantiques autour de l'atome selon un principe d'Aufbau (c'est-√†-dire ¬ę construction ¬Ľ en allemand) dans des sous-couches √©lectroniques dont l'ordre pr√©cis est donn√© par la r√®gle de Klechkowski :


Sous-couche 1s     1 case quantique ‚Üí 2 √©lectrons     ‚Üí 2 √©l√©ments sur la 1√®re p√©riode    

Sous-couche 2s     1 case quantique ‚Üí 2 √©lectrons      
Sous-couche 2p     3 cases quantiques ‚Üí 6 √©lectrons     ‚Üí 8 √©l√©ments sur la 2√®me p√©riode    

Sous-couche 3s     1 case quantique ‚Üí 2 √©lectrons      
Sous-couche 3p     3 cases quantiques ‚Üí 6 √©lectrons     ‚Üí 8 √©l√©ments sur la 3√®me p√©riode    

Sous-couche 4s     1 case quantique ‚Üí 2 √©lectrons      
Sous-couche 3d     5 cases quantiques ‚Üí 10 √©lectrons      
Sous-couche 4p     3 cases quantiques ‚Üí 6 √©lectrons     ‚Üí 18 √©l√©ments sur la 4√®me p√©riode    

Sous-couche 5s     1 case quantique ‚Üí 2 √©lectrons      
Sous-couche 4d     5 cases quantiques ‚Üí 10 √©lectrons      
Sous-couche 5p     3 cases quantiques ‚Üí 6 √©lectrons     ‚Üí 18 √©l√©ments sur la 5√®me p√©riode    

Sous-couche 6s     1 case quantique ‚Üí 2 √©lectrons      
Sous-couche 4f     7 cases quantiques ‚Üí 14 √©lectrons      
Sous-couche 5d     5 cases quantiques ‚Üí 10 √©lectrons      
Sous-couche 6p     3 cases quantiques ‚Üí 6 √©lectrons     ‚Üí 32 √©l√©ments sur la 6√®me p√©riode    

Sous-couche 7s     1 case quantique ‚Üí 2 √©lectrons      
Sous-couche 5f     7 cases quantiques ‚Üí 14 √©lectrons      
Sous-couche 6d     5 cases quantiques ‚Üí 10 √©lectrons      
Sous-couche 7p     3 cases quantiques ‚Üí 6 √©lectrons     ‚Üí 32 √©l√©ments sur la 7√®me p√©riode    

C'est la succession des sous-couches électroniques de chaque période qui détermine la structure du tableau périodique, chaque période étant définie par le retour d'une sous-couche s suivant une sous-couche p de la période précédente.

Exceptions et règle de Hund

La r√®gle de Klechkowski est observ√©e pour plus de 80 % des 103 √©l√©ments dont la configuration √©lectronique √† l'√©tat fondamental est connue avec pr√©cision, mais 20 √©l√©ments y font exception. L'√©tat fondamental est en effet par d√©finition celui dont l'√©nergie est la plus faible, et le spin des √©lectrons entre en jeu pour d√©terminer cette √©nergie : plus le spin r√©sultant des √©lectrons d'une orbitale atomique est √©lev√©, plus stable est la configuration de ces √©lectrons sur cette orbitale (r√®gle de Hund). Il s'ensuit que, pour les √©l√©ments du bloc d et du bloc f (m√©taux de transition, lanthanides et actinides), il est √©nerg√©tiquement moins favorable de suivre la r√®gle de Klechkowski que de favoriser l'occupation impaire des sous-couches les plus externes lorsque la couche d ou f est vide, √† moiti√© remplie ou enti√®rement remplie, car l'√©cart d'√©nergie entre ces sous-couches est inf√©rieur au gain d'√©nergie induit par la redistribution des √©lectrons maximisant leur spin r√©sultant (dans le tableau qui suit, les √©lectrons de cŇďur sont en gris) :

√Čl√©ment chimique S√©rie chimique Configuration √©lectronique
no 24 Cr Chrome M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
no 29 Cu Cuivre M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
no 41 Nb Niobium M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d4
no 42 Mo Molybd√®ne M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d5
no 43 Tc Techn√©tium M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d6
no 44 Ru Ruth√©nium M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d7
no 45 Rh Rhodium M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d8
no 46 Pd Palladium M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10
no 47 Ag Argent M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10
no 57 La Lanthane Lanthanide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 5d1
no 58 Ce C√©rium Lanthanide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f1 5d1
no 64 Gd Gadolinium Lanthanide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f7 5d1
no 78 Pt Platine M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d9
no 79 Au Or M√©tal de transition 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d10
no 89 Ac Actinium Actinide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 6d1
no 90 Th Thorium Actinide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 6d2
no 91 Pa Protactinium Actinide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f2 6d1
no 92 U Uranium Actinide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f3 6d1
no 96 Cm Curium Actinide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f7 6d1
no 103 Lr Lawrencium Actinide 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 7p1

Périodicité des propriétés chimiques

Le grand intérêt de la classification périodique est d'organiser les éléments chimiques de telle sorte que leurs propriétés physicochimiques puissent être largement prédites par leur position dans la table. Ces propriétés évoluent différemment selon qu'on se déplace verticalement ou horizontalement dans le tableau.

Périodes et groupes du tableau périodique

  1 2   3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba * Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra * Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
  ‚Üď  
  * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
  * Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
 
  Tableau p√©riodique des √©l√©ments chimiques
  • Une p√©riode d√©signe une ligne du tableau p√©riodique. Elle se d√©finit par le remplissage progressif des sous-couches √©lectroniques jusqu'√† atteindre la sous-couche s de la couche √©lectronique suivante. Les propri√©t√©s des √©l√©ments varient g√©n√©ralement beaucoup le long d'une p√©riode, mais peuvent √™tre localement assez similaire et constituer des s√©ries chimiques compl√®tes, notamment dans le bloc d (m√©taux dits ¬ę de transition ¬Ľ) et surtout dans le bloc f (lanthanides sur la 6√®me p√©riode et actinides sur la 7√®me p√©riode).
Si les termes cristallogène, pnictogène et chalcogène sont aujourd'hui assez désuets, les quatre autres en revanche sont encore très employés car ils se confondent avec des séries chimiques de même nom.

Variations des propriétés le long d'une période

P√©riodicit√© de l'√©nergie d'ionisation[4] : chaque p√©riode commence par un minimum dans la colonne des m√©taux alcalins et s'ach√®ve par un maximum dans la colonne des gaz rares.

D'une mani√®re g√©n√©rale, le rayon atomique tend √† d√©cro√ģtre lorsqu'on parcourt une p√©riode de gauche √† droite. Ceci r√©sulte du fait que la charge √©lectrique du noyau atomique augmente tout au long de chaque p√©riode, ce qui augmente l'attraction du noyau sur les √©lectrons et diminue par cons√©quent le volume des orbitales atomiques ; la contraction des lanthanides illustre tr√®s bien ce ph√©nom√®ne. En corollaire, l'√©nergie d'ionisation et l'√©lectron√©gativit√© augmentent lorsqu'on parcourt une p√©riode de gauche √† droite, puisque les √©lectrons sont li√©s plus fortement au noyau √† la droite du tableau.

L'affinit√© √©lectronique tend √©galement √† cro√ģtre l√©g√®rement, celle des m√©taux √©tant g√©n√©ralement inf√©rieure √† celle des non-m√©taux ‚ÄĒ hormis bien s√Ľr celle des gaz rares.

Variation des propriétés dans un groupe

La description quantique de la configuration électronique des atomes permet d'expliquer la similitude des propriétés chimiques au sein d'un groupe par une configuration identique des électrons dans la couche de valence.

Le rayon atomique augmente rapidement de haut en bas d'un groupe, car à chaque période s'ajoute une couche électronique. En corollaire, l'énergie d'ionisation et l'électronégativité diminuent car les électrons périphériques sont moins fortement liés au noyau dans le bas du tableau.

Quelques exemples de groupes :

  • Groupe 1 ‚Äď m√©taux alcalins
Article principal : m√©tal alcalin.
Hormis l'hydrog√®ne, les √©l√©ments du premier groupe du tableau p√©riodique constituent la s√©rie des m√©taux alcalins. Il s'agit de m√©taux peu denses de couleur argent√©e et √† bas point de fusion, plut√īt mous √† temp√©rature ambiante, formant des compos√©s ioniques avec les halog√®nes et chimiquement tr√®s r√©actifs ‚ÄĒ ils r√©agissent violemment avec l'eau pour donner des hydroxydes qui sont des bases fortes ‚ÄĒ de sorte qu'on ne les trouve jamais sous forme √©l√©mentaire dans le milieu naturel.
  • Groupe 2 ‚Äď m√©taux alcalino-terreux
Article principal : m√©tal alcalino-terreux.
Un peu plus durs et plus denses que les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux forment également des composés ioniques avec les halogènes mais ne réagissent pas avec l'eau à température ambiante, seulement avec la vapeur d'eau pour former des hydroxydes très basiques.
  • Groupe 17 ‚Äď halog√®nes
Article principal : halog√®ne.
Ils existent sous forme élémentaire diatomique et forment des acides forts avec l'hydrogène. Les halogènes constituent des composés ioniques avec les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux.
  • Groupe 18 ‚Äď gaz rares
Article d√©taill√© : gaz rare.
Aux conditions normales de temp√©rature et de pression, ce sont des gaz monoatomiques incolores et inodores quasiment d√©pourvus de r√©activit√© chimique, dont les points de fusion et d'√©bullition sont s√©par√©s de moins de 10 ¬įC √† pression atmosph√©rique.

Relations diagonales

Outre les analyses par lignes et par colonnes, le tableau p√©riodique permet √©galement d'√©tablir des relations diagonales entre certains √©l√©ments chimiques des deuxi√®me et troisi√®me p√©riodes qui se trouvent en diagonale les uns par rapport aux autres dans le tableau. Il s'agit toujours de la direction diagonale allant du haut √† gauche vers le bas √† droite, car parcourir une p√©riode vers la droite et descendre le long d'une colonne se traduisent de fa√ßon oppos√©e sur la couche de valence des atomes (respectivement : diminution et augmentation du rayon atomique, et en corollaire : augmentation et diminution de l'√©lectron√©gativit√© ; cf. les deux paragraphes pr√©c√©dents). Il s'ensuit certaines similitudes entre √©l√©ments diagonaux, qui pourtant ne partagent ni la m√™me p√©riode ni le m√™me groupe.

Séries chimiques et autres regroupements

Au-del√† des lignes, des colonnes et des diagonales, les √©l√©ments sont √©galement regroup√©es en dix s√©ries chimiques aux propri√©t√©s physicochimiques homog√®nes. Aux extr√©mit√©s gauche et droite du tableau, ces s√©ries se confondent avec les groupes, tandis qu'au centre du tableau elles ont plut√īt tendance √† ce confondre avec les blocs, voire avec les p√©riodes :

  1. S√©rie des m√©taux alcalins, √©gale au groupe 1, moins l'hydrog√®ne.
  2. S√©rie des m√©taux alcalino-terreux, confondue avec le groupe 2.
  3. Série des lanthanides, égale aux éléments du bloc f de la 6ème période, plus le lutécium 71Lu.
  4. Série des actinides, égale aux éléments du bloc f de la 7ème période, plus le lawrencium 103Lr.
  5. Série des métaux de transition, égale aux éléments du bloc d moins le lutécium 71Lu et le lawrencium 103Lr.
  6. S√©rie des m√©taux pauvres, comprenant :
  7. S√©rie des m√©tallo√Įdes :
  8. S√©rie des non-m√©taux :
  9. S√©rie des halog√®nes, confondue avec le groupe 17.
  10. S√©rie des gaz rares, confondue avec le groupe 18.

D'autres regroupements sont √©galement en usage, par exemple :

Limites à la périodicité aux confins du tableau

La configuration √©lectronique des √©l√©ments est d√©crite de fa√ßon satisfaisante par le mod√®le des orbitales atomiques jusqu'au milieu de la 7√®me p√©riode ; pour Z >> 100, des effets relativistes deviennent significatifs sur des √©lectrons en interaction avec un noyau tr√®s fortement charg√©, certaines corrections induites par l'√©lectrodynamique quantique ne peuvent plus √™tre n√©glig√©es, les approximations consid√©rant les √©lectrons de fa√ßon individuelle cessent d'√™tre valides dans la d√©termination des orbitales, et des effets de couplage spin-orbite redistribuent les niveaux d'√©nergie, et donc les sous-couches √©lectroniques : il s'ensuit que la distribution des √©lectrons autour du noyau ob√©it de moins en moins aux r√®gles bien v√©rifi√©es pour les six premi√®res p√©riodes, et que les propri√©t√©s des √©l√©ments dans cette r√©gion du tableau cessent d'√™tre pr√©dictibles en fonction de leur groupe.

Ainsi, l'√©l√©ment 118Uuo devrait √™tre un gaz rare en vertu de son positionnement en bas de la 18√®me colonne du tableau, mais il s'agirait en fait d'un solide semiconducteur aux propri√©t√©s voisines d'un m√©tallo√Įde[5], tandis que l'√©l√©ment 114Uuq, qui devrait √™tre un m√©tal pauvre en bas de la 14√®me colonne, aurait plut√īt les propri√©t√©s d'un gaz rare[6].

Le copernicium 112Cn, situé parmi les métaux de transition, aurait également des propriétés le rapprochant des gaz rares[7] et serait d'ailleurs gazeux[8].

Isotopes et radioactivité

Isotopes

Article connexe : Table des isotopes.

Les √©l√©ments chimiques sont identifi√©s dans le tableau p√©riodique par leur num√©ro atomique, qui repr√©sente le nombre de protons que contient leur noyau, mais il peut exister plusieurs atomes diff√©rents pour un m√™me √©l√©ment chimique, diff√©rant les uns des autres par le nombre de neutrons dans leur noyau. Dans la mesure o√Ļ ces atomes occupent la m√™me case dans le tableau p√©riodique, ils sont dits isotopes ‚ÄĒ avec une √©tymologie issue du grec ancien ŠľīŌÉőŅŌā ŌĄŌĆŌÄőŅŌā signifiant ¬ę au m√™me endroit ¬Ľ.

Les isotopes d'un élément ont généralement exactement les mêmes propriétés chimiques, car leur configuration électronique est identique. Mais la masse du noyau étant différente, on observe un effet isotopique d'autant plus prononcé que l'atome est léger. C'est notamment le cas pour le lithium 3Li, l'hélium 2He (du point de vue de ses propriétés physiques) et surtout l'hydrogène 1H.

L'isotope 2H (deutérium) est suffisamment différent de l'isotope 1H (protium) pour que l'UICPA admette (mais sans le recommander) l'usage d'un symbole chimique spécifique au deutérium (D) distinct de celui de l'hydrogène (H).

Radioactivité

  1 2   3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba * Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra * Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uuo
  ‚Üď  
  * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
  * Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
 
  Pb   Un isotope au moins de cet √©l√©ment est stable
  Cm   Un isotope a une p√©riode d'au moins 4 millions d'ann√©es
  Cf   Un isotope a une p√©riode d'au moins 800 ans
  Md   Un isotope a une p√©riode d'au moins 1 journ√©e
  Mt   Un isotope a une p√©riode d'au moins 1 minute
  Uuo   Aucun isotope connu n'a de p√©riode d√©passant 1 minute

80 des 117 √©l√©ments du tableau p√©riodique standard poss√®dent au moins un isotope stable : ce sont tous les √©l√©ments de num√©ro atomique compris entre 1 (hydrog√®ne) et 82 (plomb) hormis le techn√©tium 43Tc et le prom√©th√©um 61Pm, qui sont radioactifs.

D√®s le bismuth 83Bi, tous les isotopes des √©l√©ments connus sont (au moins tr√®s faiblement) radioactifs ‚ÄĒ l'isotope 209Bi a ainsi une p√©riode radioactive valant un milliard de fois l'√Ęge de l'univers. Lorsque la p√©riode d√©passe quatre millions d'ann√©e, la radioacivit√© produite par ces isotopes est n√©gligeable et ne constitue pas de risque sanitaire : c'est par exemple le cas de l'uranium 238, dont la p√©riode est de pr√®s de 4,5 milliards d'ann√©es.

Au-del√† de Z = 110 (darmstadtium 281Ds), tous les isotopes des √©l√©ments ont une p√©riode radioactive de moins de 30 secondes, et de moins d'un dixi√®me de seconde √† partir de l'√©l√©ment 115 (ununpentium 288Uup).

Le mod√®le en couches de la structure nucl√©aire permet de rendre compte de la plus ou moins grande stabilit√© des noyaux atomiques en fonction de leur composition en nucl√©ons (protons et neutrons). En particulier, des ¬ę nombres magiques ¬Ľ de nucl√©ons, conf√©rant une stabilt√© particuli√®re aux atomes qui en sont compos√©s, ont √©t√© observ√©s exp√©rimentalement, et expliqu√©s par ce mod√®le[9]. Le plomb 208, qui est le plus lourd des noyaux stables existants, est ainsi compos√© du nombre magique de 82 protons et du nombre magique de 126 neutrons.

Certaines th√©ories[10] extrapolent ces r√©sultats en pr√©disant l'existence d'un √ģlot de stabilit√© parmi les nucl√©ides superlourds, pour un ¬ę nombre magique ¬Ľ de 184 neutrons et ‚ÄĒ selon les th√©ories et les mod√®les ‚ÄĒ 114, 120, 122 ou 126 protons ; une approche plus moderne montre toutefois, par des calculs fond√©s sur l'effet tunnel, que, si de tels noyaux doublement magiques seraient probablement stables du point de vue de la fission spontan√©e, ils devraient cependant subir des d√©sint√©grations őĪ avec une p√©riode radioactive de quelques microsecondes[11],[12],[13], tandis qu'un √ģlot de relative stabilit√© pourrait exister autour du darmstadtium 293, correspondant aux nucl√©ides d√©finis par Z compris entre 104 et 116 et N compris entre 176 et 186 : ces √©l√©ments pourraient avoir des isotopes pr√©sentant des p√©riodes radioactives atteignant quelques minutes.

Extension du tableau périodique

Au-del√† des sept p√©riodes standard, une huiti√®me p√©riode est envisag√©e pour classer les atomes ‚ÄĒ √† ce jour inobserv√©s ‚ÄĒ ayant plus de 118 protons. On ignore jusqu'√† combien de protons et d'√©lectrons un m√™me atome peut contenir, la limite th√©orique se situant vers 173 protons : un 174√®me proton conf√©rerait √† la couche nucl√©aire 1s1/2 une √©nergie de ‚Äď 511 keV, √©gale √† la masse au repos d'un √©lectron ou d'un positon ; un tel noyau serait donc instable par rapport √† la d√©sint√©gration ő≤+.[14],[15] La limite d'observabilit√© pratique est g√©n√©ralement estim√©e √† au plus Z = 130.[16]

Cette huiti√®me p√©riode serait la premi√®re √† poss√©der des √©l√©ments du bloc g, caract√©ris√©s √† l'√©tat fondamental par des √©lectrons sur une orbitale g. N√©anmoins, compte tenu des limites √† la p√©riodicit√© aux confins du tableau ‚ÄĒ effets relativistes sur les √©lectrons des tr√®s gros atomes ‚ÄĒ qui deviennent significatifs d√®s le dernier tiers de la septi√®me p√©riode, il est peu probable que la configuration √©lectronique de tels atomes ob√©isse aux r√®gles observ√©es tout au long des six premi√®res p√©riodes.

Le tableau p√©riodique √©tendu √† la huiti√®me p√©riode, organis√© selon la configuration √©lectronique de la couche de valence, aurait l'aspect suivant :


  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
  ‚Üď  
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


M√©tallo√Įdes Non-m√©taux Halog√®nes Gaz rares
M√©taux alcalins  M√©taux alcalino-terreux  M√©taux de transition M√©taux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides √Čl√©ments non class√©s


Une neuvième période est parfois évoquée, mais, compte tenu de l'incertitude réelle quant à la possibilité d'observer à terme plus d'une dizaine d'éléments nouveaux sur la huitième période, tous les éléments de numéro atomique supérieur à 130 relèvent a priori de la pure extrapolation mathématique.

Assez peu de laboratoires dans le monde sont √©quip√©s d'infrastructures permettant d'atteindre les sensibilit√©s requises ‚ÄĒ avec des sections efficaces tr√®s inf√©rieures au picobarn, grandeur √©quivalente √† 10-40 m2 ‚ÄĒ pour la d√©tection de noyaux aussi lourds que ceux de la huiti√®me p√©riode. Ce sont principalement :

Le RIKEN au Japon et l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse comptent √©galement parmi les organisations notables dans ce domaine de recherches. D'une mani√®re g√©n√©rale, la mise en commun des ressources de ces laboratoires est de mise pour parvenir √† des r√©sultats probants, et la synth√®se de l'√©l√©ment 118 au d√©but des ann√©es 2000 a √©t√© le fruit d'une collaboration entre le JINR russe et le LLNL am√©ricain.

Historique

De la toute premi√®re tentative de classification des √©l√©ments chimiques par Antoine Lavoisier en 1789 au tableau p√©riodique de Glenn Seaborg que nous utilisons aujourd'hui, de nombeux hommes de sciences, issus d'horizons ‚ÄĒ et parfois de disciplines ‚ÄĒ diff√©rents, ont apport√© chacun leur contribution, sur une p√©riode de pr√®s de deux si√®cles.

Première classification d'Antoine Lavoisier

C'est en 1789 que le chimiste fran√ßais Antoine Lavoisier a publi√© √† Paris son Trait√© √©l√©mentaire de chimie, pr√©sent√© dans un ordre nouveau et d'apr√®s les d√©couvertes modernes. Cet ouvrage en deux volumes a jet√© les bases de la chimie moderne, en faisant le point sur les connaissances de la fin du XVIIIe si√®cle dans cette discipline. Il y pr√©cise notamment le concept d'√©l√©ment chimique comme une substance simple qui ne peut √™tre d√©compos√©e en d'autres substances, avec en corollaire la loi fondamentale de conservation de la masse de chacune de ces substances simples au cours des r√©actions chimiques. Il mentionna √©galement le fait que de nombreuses substances consid√©r√©es comme simples par le pass√© se sont r√©v√©l√©es √™tre en r√©alit√© des compos√©s chimiques (par exemple l'huile et le sel marin), et il pr√©cisa s'attendre √† ce qu'on consid√®re sous peu les terres (c'est-√†-dire certains minerais) comme des substances compos√©es de nouveaux √©l√©ments.

Il publia dans cet ouvrage un tableau r√©capitulatif des ¬ę substances ¬Ľ consid√©r√©es √† son √©poque comme des √©l√©ments chimiques, en prenant soin d'√©tablir une √©quivalence avec le vocabulaire h√©rit√© des alchimistes afin d'√©liminer toute ambigu√Įt√©. Ce tableau, qui se voulait exhaustif et outil de r√©f√©rence, mentionnait ainsi, parmi les √©l√©ments chimiques, la lumi√®re et le feu, encore consid√©r√©s √† cette √©poque comme des principes ¬ę chimiques ¬Ľ bien que Lavoisier lui-m√™me ait invalid√© la th√©orie du phlogistique :

  Noms nouveaux Noms anciens correspondants
Substances simples
qui appartiennent
aux trois règnes
et qu'on peut
regarder comme
les éléments
des corps
[17]
Lumière
Calorique

Chaleur
Principe de la chaleur
Fluide igné
Feu
Matière du feu et de la chaleur

Oxygène

Air déphlogistiqué
Air empiréal
Air vital
Base de l'air vital

Azote

Gaz phlogistiqué
Mossette
Base de la mossette

Hydrogène

Gaz inflammable
Base du gaz inflammable

Substances simples
non-métalliques
oxydables et
acidifiables
Soufre
Phosphore
Carbone Charbon pur
Radical muriatique[18] Inconnu
Radical fluorique[19] Inconnu
Radical boracique[20] Inconnu
Substances simples
métalliques
oxydables et
acidifiables
Antimoine
Argent
Arsenic
Bismuth
Cobalt
Cuivre
√Čtain
Fer
Manganèse
Mercure
Molybdène
Nickel
Or
Platine
Plomb
Tungstène
Zinc
Substances simples
salifiables
terreuses
[21]
Chaux

Terre calcaire
Chaux

Magnésie

Magnésie
Base du sel d'Epsom

Barite

Barote
Terre pesante

Alumine

Argile
Terre de l'alun
Base de l'alun

Silice

Terre siliceuse
Terre vitrifiable

¬ę Tableau des substances simples ¬Ľ publi√© par Antoine Lavoisier en 1789[22].

Les √©l√©ments chimiques y sont class√©s en quatre familles :

  • Les √©l√©ments impond√©rables (gaz et autres ¬ę essences ¬Ľ)
  • Les non-m√©taux
  • Les m√©taux
  • Les ¬ę terres ¬Ľ, √† savoir des minerais (oxydes, sulfates) consid√©r√©s comme corps simples.

Le chlore est d√©sign√© comme ¬ę radical muriatique ¬Ľ, car Lavoisier consid√©rait que tous les acides √©taient des oxoacides ‚ÄĒ le nom oxyg√®ne signifie √©tymologiquement ¬ę formant des acides ¬Ľ ‚ÄĒ et cherchait donc le ¬ę radical ¬Ľ que l'oxyg√®ne aurait rendu acide ‚ÄĒ l'acide muriatique d√©signait l'acide chlorhydrique, qui ne contient cependant pas d'oxyg√®ne.

Cette classification a surtout le m√©rite de clarifier certaines notions fondamentales, mais ne r√©v√®le encore aucune p√©riodicit√© des propri√©t√©s des √©l√©ments class√©s : les m√©taux sont ainsi recens√©s tout simplement par ordre alphab√©tique en fran√ßais.

Triades de Johann Döbereiner

La premi√®re tentative de classification moderne des √©l√©ments chimiques revient au chimiste allemand Johann Wolfgang D√∂bereiner qui, en 1817, nota que la masse atomique du strontium (88) √©tait √©gale √† la moyenne arithm√©tique des masses atomiques du calcium (40) et du baryum (137), qui ont des propri√©t√©s chimiques semblables (aujourd'hui, ils sont class√©s parmi les m√©taux alcalino-terreux). En 1829, il avait d√©couvert deux autres ¬ę triades ¬Ľ de ce type : celle des halog√®nes (la masse atomique du brome (80) √©tant √©gale √† la moyenne arithm√©tique (81) de celles du chlore (35,5) et de l'iode (127)) et celle des m√©taux alcalins (la masse atomique du sodium (23) √©tant √©gale √† la moyenne arithm√©tique de celles du lithium (7) et du potassium (39)).

D'autres chimistes identifi√®rent d'autres s√©ries d'√©l√©ments, et Leopold Gmelin publia en 1843 la premi√®re √©dition de son Handbuch der Chemie, qui mentionnait des triades, ainsi que trois ¬ę t√©trades ¬Ľ et une ¬ę pentade ¬Ľ ‚ÄĒ azote, phosphore, arsenic, antimoine et bismuth, que nous connaissons aujourd'hui comme les √©l√©ments du groupe 15.

Tétrades de Jean-Baptiste Dumas

En 1859, le chimiste fran√ßais Jean-Baptiste Dumas g√©n√©ralisa les triades de D√∂bereiner en les √©tendant en t√©trades incluant les √©l√©ments les plus l√©gers, d√©finies non plus par les moyennes arithm√©tiques, mais par une progression similaire d'une t√©trade √† l'autre, par exemple :

Bien qu'en apparence similaire √† celle de D√∂bereiner, l'approche de Dumas √©tait potentiellement bien plus f√©conde car applicable de fa√ßon pertinente √† un bien plus grand nombre d'√©l√©ments : alors que les progressions arithm√©tiques sont restreintes √† quelques groupes d'√©l√©ments, l'incr√©ment constat√© par Dumas entre √©l√©ments successifs aux propri√©t√©s similaires mesure pr√©cis√©ment la longueur de la p√©riode qui s√©pare ces deux √©l√©ments ‚ÄĒ incr√©ment d'environ 16 entre les deux premiers √©l√©ments d'une t√©trade, puis incr√©ment d'environ 48 entre deuxi√®me et troisi√®me √©l√©ments, puis entre troisi√®me et quatri√®me √©l√©ments.

Vis tellurique de Chancourtois

Le premier √† remarquer la p√©riodicit√© des propri√©t√©s chimiques des √©l√©ments fut le g√©ologue fran√ßais Alexandre-√Čmile B√©guyer de Chancourtois lorsqu'il classa en 1862 les √©l√©ments chimiques alors connus en fonction de leur masse atomique d√©termin√©e en 1858 par le chimiste italien Stanislao Cannizzaro. Il normalisa la masse atomique de tous les √©l√©ments en prenant celle de l'oxyg√®ne √©gale √† 16, et, consid√©rant que ¬ę les propri√©t√©s des √©l√©ments sont les propri√©t√©s des nombres, ¬Ľ organisa les √©l√©ments chimiques en spirale sur un cylindre divis√© en seize parties, de telle sorte que les √©l√©ments aux propri√©t√©s similaires apparaissent l'un au-dessus de l'autre.

Chancourtois remarqua alors que certaines ¬ę triades ¬Ľ se retrouvaient pr√©cis√©ment align√©es dans cette repr√©sentation, ainsi que la t√©trade oxyg√®ne ‚Äď soufre ‚Äď s√©l√©nium ‚Äď tellure, qui se trouvait √©galement avoir des masses atomiques √† peu pr√®s multiples de seize (respectivement 16, 32, 79 et 128). C'est la raison pour laquelle il appela cette repr√©sentation ¬ę vis tellurique, ¬Ľ en r√©f√©rence au tellure. C'√©tait la premi√®re √©bauche de classification p√©riodique des √©l√©ments. Celle-ci ne retint cependant pas l'attention de la communaut√© scientifique, car Chancourtois n'√©tait pas chimiste et avait employ√© des termes appartenant plut√īt au domaine de la g√©ochimie dans la publication qu'il avait adress√©e √† l'Acad√©mie des sciences, laquelle fut √©dit√©e de surcro√ģt sans ses sch√©mas explicatifs, ce qui rendit le texte abscons.

D'un point de vue conceptuel, c'était une grande avancée, mais, d'un point de vue pratique, Chancourtois n'avait pas identifié la période correcte pour les éléments les plus lourds, de sorte que, dans sa représentation, une même colonne regroupait le bore, l'aluminium et le nickel, ce qui est correct pour les deux premiers mais totalement erroné d'un point de vue chimique pour le troisième.

Loi des octaves de John Newlands

Dans la foul√©e, le chimiste anglais John Alexander Reina Newlands publia en 1863 une classification p√©riodique qui eut, elle, un plus fort retentissement (quoique tardif, et a posteriori), car il avait organis√© les premiers √©l√©ments alors connus par masse atomique croissante ‚ÄĒ plus pr√©cis√©ment, par masse √©quivalente croissante ‚ÄĒ dans un tableau √† sept lignes en les arrangeant de telle sorte que leurs propri√©t√©s chimiques soient similaires par lignes, sans h√©siter √† placer deux √©l√©ments dans une m√™me case si n√©cessaire pour √©viter de laisser des cases vides par ailleurs.

Ce faisant, il avait identifi√© une nouvelle triade, dont les extr√©mit√©s √©taient le silicium et l'√©tain, et dont l'√©l√©ment m√©dian restait √† d√©couvrir : il pr√©dit ainsi l'existence du germanium, en lui assignant une masse atomique d'environ 73. Mais la grande faiblesse de son travail √©tait qu'il n'avait pas laiss√© de case vide dans son tableau pour accueillir notamment le futur germanium : il avait en fait cherch√© avant tout √† classer les √©l√©ments connus dans un tableau complet sans chercher de classification plus large tenant compte de possibles √©l√©ments √† d√©couvrir, qu'il avait pourtant pressentis. De plus, comme Chancourtois, il avait un probl√®me de p√©riodicit√©, car si les √©l√©ments l√©gers connus √† l'√©poque avaient bien une p√©riodicit√© chimique tous les sept √©l√©ments, cela cessait d'√™tre valable au-del√† du calcium, et le tableau de Newlands s'av√®re alors inop√©rant :

  I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII.
1 H F Cl Co & Ni Br Pd I Pt & Ir
2 Li Na K Cu Rb Ag Cs Tl
3 Be Mg Ca Zn Sr Cd Ba & V Pb
4 B Al Cr Y Ce & La U Ta Th
5 C Si Ti In Zr Sn W Hg
6 N P Mn As Di & Mo Sb Nb Bi
7 O S Fe Se Rh & Ru Te Au Os
Tableau de John Newlands illustrant la ¬ę loi des octaves ¬Ľ[23], 1865.

La mise en √©vidence d'une p√©riodicit√© globale jusqu'au calcium √©tait n√©anmoins une grande avanc√©e, et Newlands pr√©senta cette classification en l'appelant ¬ę loi des octaves ¬Ľ par analogie avec les sept notes de musique, mais ce travail fut assez mal accueilli par ses pairs de la Soci√©t√© de chimie de Londres, qui le tourn√®rent souvent en ridicule et firent obstacle √† sa publication ; ce n'est qu'apr√®s la publication des travaux de Dmitri Mendele√Įev que la qualit√© de cette analyse a √©t√© reconnue.

Notation d'éléments manquants par William Odling

Le chimiste anglais William Odling ‚ÄĒ secr√©taire de la Soci√©t√© de chimie de Londres, et donc rival de Newlands ‚ÄĒ travaillait √©galement, dans les ann√©es 1860, sur une table p√©riodique des √©l√©ments chimiques remarquablement proche de celle que publierait Mendele√Įev en 1869. Elle √©tait organis√©e en p√©riodes verticales avec des cases vides pour les √©l√©ments manquants et pla√ßait ‚ÄĒ √† la diff√©rence du premier tableau de Mendele√Įev ‚ÄĒ le platine, le mercure, le thallium et le plomb dans les bons groupes. Son action n√©gative √† l'encontre de Newlands entacha n√©anmoins d√©finitivement la renomm√©e d'Odling, et sa contribution √† l'√©laboration du tableau p√©riodique des √©l√©ments est aujourd'hui largement m√©connue.

Introduction de la valence avec Lothar Meyer

La contribution du chimiste allemand Lothar Meyer est √† peine mieux reconnue que celle d'Odling, car ses travaux d√©cisifs ont √©t√© publi√©s apr√®s ceux de Mendele√Įev alors qu'ils √©taient pour la plupart ant√©rieurs. Il publia ainsi une premi√®re version de sa classification des √©l√©ments en 1864, puis finalisa en 1868 une seconde version plus aboutie qui ne fut int√©gralement publi√©e qu'√† sa mort, en 1895.

Le premier tableau de Meyer comprenait vingt-huit √©l√©ments class√©s en six familles d√©finies par leur valence : c'√©tait un grand pas en direction de la forme moderne du tableau p√©riodique, organis√© en groupes d√©pendant de la configuration √©lectronique des √©l√©ments, elle-m√™me directement en relation avec leur valence ; ce n'√©tait n√©anmoins pas encore le m√™me tableau qu'aujourd'hui, car les √©l√©ments √©taient toujours rang√©s par masse atomique croissante. Le second tableau de Meyer, qui √©largissait et corrigeait le premier, fut publi√© en 1870, quelques mois apr√®s celui de Mendele√Įev, dont il renfor√ßa l'impact sur la communaut√© scientifique en apportant aux th√®ses du chimiste russe, encore tr√®s contest√©es, le soutien de travaux ind√©pendants. La grande force de ce travail r√©sidait dans les p√©riodes de longueur variable, avec une disposition des √©l√©ments qui permettait d'√©viter les regroupemets f√Ęcheux de Newlands, tels que le fer, l'or et certains √©l√©ments du groupe du platine parmi l'oxyg√®ne, le soufre, et les autres √©l√©ments du groupe 16 :

I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX.
  B = 11,0 Al = 27,3    ?    ?In = 113,4   Tl = 202,7
       ?    ?    ?  
  C = 11,97 Si = 28    ?   Sn = 117,8   Pb = 206,4
      Ti = 48   Zr = 89,7    ?  
  N = 14,01 P = 30,9   As = 74,9   Sb = 122,1   Bi = 207,9
      V = 51,2   Nb = 93,7   Ta = 182,2  
  O = 15,96 S = 31,98   Se = 78   Te = 128?    ?
      Cr = 54,4   Mo = 95,6   W = 183,5  
 ? F = 19,1 Cl = 35,38   Br = 79,75   I = 126,5    ?
      Mn = 54,8   Ru = 103,5   Os = 198,6  
      Fe = 55,9   Rh = 104,1   Ir = 196,7  
      Co = Ni = 58,6   Pd = 106,2   Pt = 196,7  
Li = 7,01 Na = 22,99 K = 39,04   Rb = 85,2   Cs = 132,7    ?
      Cu = 63,3   Ag = 107,66   Au = 196,2  
 ?Be = 9,3 Mg = 23,9 Ca = 39,9   Sr = 87,0   Ba = 136,8    ?
      Zn = 64,9   Cd = 116,6   Hg = 199,8  
Tableau périodique des éléments chimiques de Lothar Meyer[24], publié en 1870.

Meyer avait également remarqué que si l'on trace une courbe représentant en abscisse la masse atomique et en ordonnée le volume atomique de chaque élément, cette courbe présente une série de maxima et de minima périodiques, les maxima correspondant aux éléments les plus électropositifs.

Classification p√©riodique de Mendele√Įev

Tableau p√©riodique de Mendele√Įev, publi√© en 1870.

Malgr√© la qualit√© r√©elle des travaux de ses contemporains, c'est bien au chimiste russe Dimitri Ivanovich Mendele√Įev qu'on doit le premier tableau p√©riodique des √©l√©ments s'approchant de celui que nous utilisons aujourd'hui, non seulement dans sa forme mais surtout par la vision qui l'accompagne. A la diff√©rence de ses pr√©d√©cesseurs, Mendele√Įev a en effet formul√© explicitement en quoi son tableau constituait un outil d'analyse th√©orique des propri√©t√©s de la mati√®re :

  1. Les éléments chimiques, lorsqu'ils sont ordonnés par masse atomique croissante, montrent une périodicité de leur propriétés chimiques.
  2. Les éléments qui ont des propriétés chimiques semblables ont ou bien des masses atomiques semblables (osmium, iridium, platine par exemple) ou bien des masses atomiques croissant de façon arithmétique (potassium, rubidium, césium par exemple).
  3. La disposition des éléments ou des groupes d'éléments dans la table par masse atomique croissante correspond à leur valence et est en rapport, dans une certaine mesure, avec leurs propriétés chimiques.
  4. Les éléments les plus abondants dans le milieu naturel sont ceux qui ont la plus faible masse atomique.
  5. La valeur de la masse atomique détermine les propriétés des éléments chimiques.
  6. La masse atomique de certains √©l√©ments devrait parfois √™tre revue, car le tableau est plus coh√©rent en r√©arrangeant certains √©l√©ments ‚ÄĒ typiquement, le tellure ‚ÄĒ sans tenir compte de leur masse atomique exp√©rimentale.
  7. On doit s'attendre à découvrir des éléments inconnus au moment de la publication de ce tableau, par exemple des éléments analogues à l'aluminium et au silicium, avec une masse atomique comprise entre 65 et 75.
  8. Il est possible de prédire certaines propriétés des éléments à partir de leur masse atomique.

L'avanc√©e √©tait significative :

  • Mendele√Įv pr√©dit ainsi l'existence d'une s√©rie d'√©l√©ments, dont il pr√©cisa certaines propri√©t√©s, √† commencer par leur masse atomique :
    • l'eka-bore (44), correspondant au scandium (45), d√©couvert en 1879
    • l'eka-aluminium (68), correspondant au gallium (69,7), d√©couvert en 1875 ‚ÄĒ une r√©ussite particuli√®rement brillante, car Mendele√Įev avait pr√©vu une densit√© de 6 g/cm3 et un bas point de fusion, les valeurs r√©elles √©tant 5,9 g/cm3 et 29,78 ¬įC
    • l'eka-silicium (72), correponsant au germanium (72,5), d√©couvert en 1882 ‚ÄĒ l√† encore, avec un remarquable accord entre les observations et les propri√©t√©s physicochimiques pr√©dites par Mendele√Įev
    • l'eka-mangan√®se (100), correspondant au techn√©tium (99), d√©couvert en 1937
  • Il identifia par sa th√©orie une dizaine d'√©l√©ments dont la masse atomique avait √©t√© d√©termin√©e de fa√ßon incorrecte
  • Il r√©organisa sans le savoir certains √©l√©ments en fonction de leur num√©ro atomique et non de leur masse atomique

Les travaux de Mendele√Įev ont √©t√© accueillis avec scepticisme par ses pairs, mais la publication subs√©quente de plusieurs r√©sultats similaires (ceux de John Newlands et de Lothar Meyer en particulier) obtenus de fa√ßon ind√©pendante ont fait basculer le consensus en faveur de cette nouvelle vision des √©l√©ments chimiques.

Découverte de l'argon par William Ramsay et Lord Rayleigh

C'est en voulant mesurer avec pr√©cision la masse atomique de l'oxyg√®ne et de l'azote par rapport √† celle de l'hydrog√®ne que John William Strutt Rayleigh nota une divergence entre la masse atomique de l'azote produit √† partir d'ammoniac et celle de l'azote s√©par√© de l'air atmosph√©rique, l√©g√®rement plus lourd. Employant une m√©thodologie rigoureuse, William Ramsay parvint en 1894 √† isoler l'argon √† partir de ¬ę l'azote ¬Ľ atmosph√©rique, et expliqua l'anomalie apparente de la masse atomique de l'azote atmosph√©rique en d√©terminant la masse atomique de ce nouvel √©l√©ment, pour lequel rien n'√©tait pr√©vu dans le tableau de Mendele√Įev. Sa nature gazeuse et son inertie chimique l'avaient rendu jusqu'alors invisible aux chimistes.

La masse atomique de l'argon (un peu moins de 40) est tr√®s voisine de celle du calcium (un peu plus de 40) et donc sup√©rieure √† celle du potassium (39,1), ce qui posa quelques probl√®mes de classification car il semblait y avoir ¬ę plus de place ¬Ľ dans le tableau p√©riodique entre le chlore et le potassium qu'entre le potassium et le calcium. Les choses se compliqu√®rent encore lorsque Ramsay et Morris Travers d√©couvrirent le n√©on en 1898, mat√©rialisant, avec l'h√©lium (d√©couvert en 1868 par l'astronome fran√ßais Jules Janssen et l'Anglais Joseph Norman Lockyer), le groupe nouveau des gaz rares (ou gaz nobles), appel√© ¬ę groupe 0 ¬Ľ : la masse atomique du n√©on (20,2) √©tait exactement interm√©diaire entre celles du fluor (19) et du sodium (23). Ainsi, les gaz rares semblaient se positionner tant√īt entre un m√©tal alcalin et un m√©tal alcalino-terreux, tant√īt entre un halog√®ne et un m√©tal alcalin.

Rangement par numéro atomique avec Henry Moseley

A la suite de la d√©couverte de l'√©lectron et de celle des isotopes par l'Anglais Joseph John Thomson ‚ÄĒ qui ont accompagn√© les d√©buts de la physique de l'atome avec les travaux de l'Allemand Max Planck, du N√©o-Z√©landais Ernest Rutherford et du Danois Niels Bohr ‚ÄĒ les recherches du physicien anglais Henry Moseley sur la corr√©lation entre la charge du noyau atomique et le spectre aux rayons X des atomes ont abouti en 1913 au classement des √©l√©ments chimiques non plus par masse atomique croissante, mais par num√©ro atomique croissant. C'√©tait une √©volution majeure, qui r√©solvait toutes les inconsistances issues du classement en fonction de la masse atomique, lesquelles devenaient g√™nantes depuis les travaux de syst√©matisation de Dmitri Mendele√Įev.

L'argon √©tait ainsi plac√© entre le chlore et le potassium, et non plus entre le potassium et le calcium, tandis que le cobalt √©tait clairement positionn√© avant le nickel bien qu'il soit un peu plus lourd. Il confirma que le tellure devait √™tre plac√© avant l'iode sans n√©cessiter de revoir sa masse atomique, contrairement √† ce qu'avait sugg√©r√© Mendele√Įev. Il releva √©galement que les √©l√©ments de num√©ro atomique 43 et 61 manquaient √† l'appel : l'√©l√©ment 43 avait d√©j√† √©t√© pr√©dit par Mendele√Įev comme eka-mangan√®se (il s'agit du techn√©tium, radioactif, synth√©tis√© en 1937) mais l'√©l√©ment 61 √©tait nouveau ‚ÄĒ il s'agit du prom√©th√©um, radioactif √©galement, isol√© en 1947 :


O I II III IV V VI VII VIII
A B A B A B A B A B A B A B
  1
H
                               
2
He
3
Li
  4
Be
  5
B
    6
C
  7
N
  8
O
  9
F
     
10
Ne
11
Na
  12
Mg
  13
Al
    14
Si
  15
P
  16
S
  17
Cl
     
18
Ar
19
K
29
Cu
20
Ca
30
Zn
21
Sc
31
Ga
22
Ti
32
Ge
23
V
33
As
24
Cr
34
Se
25
Mn
35
Br
26
Fe
27
Co
28
Ni
36
Kr
37
Rb
47
Ag
38
Sr
48
Cd
39
Y
49
In
40
Zr
50
Sn
41
Nb
51
Sb
42
Mo
52
Te
(43)
 
53
I
44
Ru
45
Rh
46
Pd
54
Xe
55
Cs
79
Au
56
Ba
80
Hg
57-71
Ln
81
Tl
72
Hf
82
Pb
73
Ta
83
Bi
74
W
84
Po
75
Re
(85)
 
76
Os
77
Ir
78
Pt
86
Rn
(87)
 
  88
Ra
  89
Ac
  90
Th
  91
Pa
  92
U
           
 
  57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
(61)
 
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
 
Tableau périodique des éléments publié en 1913 par Henry Moseley[25].


Ce tableau, directement inspir√© de celui de John Newlands, constituait l'√©tape interm√©diaire conduisant √† la disposition contemporaine. En particulier, la num√©rotation des groupes avec des chiffres romains de I √† VIII, qui remontent √† Newlands, et les lettres A et B, introduites par Moseley, √©tait encore largement utilis√©e √† la fin du XXe si√®cle :


I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII I B II B III A IV A V A VI A VII A O
 
1
H
2
He
3
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
11
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
(43)
 
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
55
Cs
56
Ba
57-71
Ln
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
(85)
 
86
Rn
(87)
 
88
Ra
89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
(93)
 
(94)
 
(95)
 
(96)
 
(97)
 
(98)
 
(99)
 
 
  57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
(61)
 
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
 
  Tableau p√©riodique dans les ann√©es 1920-1930, suite aux travaux d'Henry Moseley[26]


Il était identique au tableau actuel, hormis quant à la septième période.

Concept des actinides de Glenn Seaborg

Le physicien am√©ricain Glenn Theodore Seaborg contribua d√®s 1942 au projet Manhattan dans l'√©quipe du physicien italien Enrico Fermi. Il √©tait charg√© d'isoler le plutonium ‚ÄĒ que lui-m√™me avait synth√©tis√© et caract√©ris√© en f√©vrier 1941 ‚ÄĒ de la matrice d'uranium au sein de laquelle il se formait. C'est au cours de ce travail qu'il d√©veloppa une connaissance approfondie de la chimie particuli√®re de ces √©l√©ments. Il √©tablit ainsi que leur position dans le tableau p√©riodique (l'uranium √©tait alors plac√© sous le tungst√®ne et le plutonium sous l'osmium) ne rendait pas compte de leurs propri√©t√©s.

En 1944, il parvint à synthétiser et à caractériser l'américium et le curium (éléments 95 et 96), ce qui lui permit de formaliser le concept des actinides, c'est-à-dire d'une nouvelle série chimique aux propriétés spécifiques et formée des éléments 89 à 103, située sous les lanthanides dans le tableau périodique, qui prit ainsi sa configuration actuelle. Seaborg conjectura également l'existence des superactinides, regroupant les éléments 121 à 153 et situés sous les actinides.

Le tableau périodique utilisé de nos jours est celui remanié en 1944 par Seaborg.

Présentations alternatives

De tr√®s nombreuses pr√©sentations alternatives du tableau p√©riodique ont √©t√© propos√©es tout au long du XXe si√®cle, et des pr√©sentations graphiques innovantes sont encore r√©guli√®rement propos√©es. L'une des plus anciennes et des plus simples est celle d'un autodidacte fran√ßais par ailleurs inconnu, Charles Janet, qui a donn√© son nom √† une disposition du tableau √©labor√©e au d√©but du XXe si√®cle et r√©cemment red√©couverte par les Anglo-saxons, chez lesquels elle est assez bien connue des sp√©cialistes du sujet (sous les noms de Janet Form ou de Left-Step Periodic Table) car elle a le double m√©rite de rester famili√®re et de disposer les √©l√©ments dans l'ordre naturel des blocs (de droite √† gauche), √† la diff√©rence du tableau usuel :


f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6 s1 s2
H He
Li Be
B C N O F Ne Na Mg
Al Si P S Cl Ar K Ca
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Uue Ubn
 
Tableau périodique organisé à la façon de Charles Janet[27].


Une autre repr√©sentation est celle de Theodor Benfey, dat√©e de 1960, dont l'objectif √©tait de rem√©dier aux discontinuit√©s du tableau standard √† l'aide d'une repr√©sentation en spirale :

Tableau périodique en spirale de Theodor Benfey.

De nombreux modèles en trois dimensions ont également été proposés afin d'enrichir la représentation des éléments par diverses informations spécifiques, qu'on peut retrouver en suivant ce lien très complet.

Moyens mnémotechniques

Voir la section ¬ę Tableau p√©riodique des √©l√©ments ¬Ľ.

Notes et références

  1. ‚ÜĎ Elle √©tait organis√©e en cinq colonnes comptant jusqu'√† vingt √©l√©ments, mais surtout les √©l√©ments chimiques y √©taient rang√©s par masse atomique croissante, et non en fonction de leur num√©ro atomique.
  2. ‚ÜĎ Le GSI a propos√© d'appeler cet √©l√©ment Copernicium (14 juillet 2009) :
    Helmholtz Association of German Research Centres, ¬ę 'Copernicium' proposed as name for newly discovered element 112 ¬Ľ, dans PhysOrg.com, 14/07/2009 [texte int√©gral (page consult√©e le 14/07/2009)] 
    Une recommandation provisionnelle de l'UICPA pr√©conise d'employer le symbole Cn : NAME AND SYMBOL OF THE ELEMENT WITH ATOMIC NUMBER 112
  3. ‚ÜĎ Noter que le francium fond d√®s 26,9 ¬įC, le c√©sium d√®s 28,4 ¬įC, le gallium d√®s 29,8 ¬įC et le rubidium d√®s 39,3 ¬įC, et qu'on peut avoir ces √©l√©ments liquides √† temp√©rature ¬ę ambiante ¬Ľ par surfusion.
  4. ‚ÜĎ (en) W. C. Martin, Atomic, Molecular, & Optical Physics Handbook, American Institute of Physics, 1996 
  5. ‚ÜĎ Gas Phase Chemistry of Superheavy Elements : Conf√©rence de Heinz W. G√§ggeler, Novembre 2007 ‚ÄĒ Page consult√©e le 07/07/2009.
  6. ‚ÜĎ Rapport 2008 du FLNR au JINR : ¬ę Chimie des √©l√©ments 112 et 114 ¬Ľ, p. 87, acc√©d√© le 08/07/2009.
  7. ‚ÜĎ "Chemistry of Hassium", 2002, Gesellschaft f√ľr Schwerionenforschung mbH. Consult√© le 31 janvier 2007
  8. ‚ÜĎ Indication d'un √©l√©ment 112 gazeux
  9. ‚ÜĎ Nuclear Shell Model : Table 1 ‚Äď Nuclear Shell Structure, d'apr√®s Maria Goeppert Mayer & J. Hans D. Jensen dans ¬ę Elementary Theory of Nuclear Shell Structure ¬Ľ, John Wiley & Sons Inc., New York, 1955.
  10. ‚ÜĎ Notamment les th√©ories de champ moyen et les th√©ories MM.
  11. ‚ÜĎ C. Samanta, P. Roy Chowdhury and D.N. Basu, ¬ę Predictions of alpha decay half lives of heavy and superheavy elements ¬Ľ, dans Nucl. Phys. A, vol. 789, 2007, p. 142‚Äď154 [lien DOI] 
  12. ‚ÜĎ P. Roy Chowdhury, C. Samanta, and D. N. Basu, ¬ę Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability ¬Ľ, dans Phys. Rev. C, vol. 77, 2008, p. 044603 [texte int√©gral lien DOI] 
  13. ‚ÜĎ P. Roy Chowdhury, C. Samanta, and D. N. Basu, ¬ę Nuclear half-lives for őĪ -radioactivity of elements with 100 < Z < 130 ¬Ľ, dans At. Data & Nucl. Data Tables, vol. 94, 2008, p. 781 [lien DOI] 
  14. ‚ÜĎ CEA Saclay ‚Äď Spectroscopy of very heavy elements Slide #16 ‚Äď Limit of stability: positron emission.
  15. ‚ÜĎ Walter Greiner, Stefan Schramm, ¬ę Resource Letter QEDV-1: The QED vacuum ¬Ľ, dans American Journal of Physics, vol. 76, no 6, 2008, p. 509-518(10) [texte int√©gral lien DOI (pages consult√©es le 26/06/2009)]  avec notamment tout une liste de r√©f√©rences √† consulter sur le th√®me de l'√©lectrodynamique quantique.
  16. ‚ÜĎ Encyclopaedia Britannica : article ¬ę Transuranium Element ¬Ľ, dont la br√®ve section ¬ę End of Periodic Table ¬Ľ en fin d'article situe entre 170 et 210 la borne sup√©rieure th√©orique au num√©ro atomique, et √† Z ‚Čą 130 la limite d'observabilit√© des atomes.
  17. ‚ÜĎ Par cette formule, Lavoisier entendait regrouper les substances ¬ę impalpables ¬Ľ.
  18. ‚ÜĎ Lavoisier d√©signe ainsi indirectement le chlore.
  19. ‚ÜĎ Il s'agit du fluor.
  20. ‚ÜĎ Il s'agit du bore.
  21. ‚ÜĎ Il s'agissait d'oxydes ou de sulfates d'√©l√©ments m√©talliques pour certains d√©j√† connus de Lavoisier, qui soup√ßonnait d'ailleurs que certaines de ces ¬ę substances simples ¬Ľ fussent en r√©alit√© des substances compos√©es de plusieurs √©l√©ments diff√©rents.
  22. ‚ÜĎ CNRS ‚Äď Ňíuvres de Lavoisier : Tableau des substances simples
  23. ‚ÜĎ On the Law of Octaves : Chemical News volume 12, 18 ao√Ľt 1865, page 83.
  24. ‚ÜĎ Extrait : Annalen der Chemie, Supplementband, 7, 354 (1870).
  25. ‚ÜĎ Moseley's Periodic Law
  26. ‚ÜĎ An early history of LBNL by Glenn T. Seaborg : Periodic table before World War II
  27. ‚ÜĎ WebElements : The Janet Periodic Table.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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