Classification périodique des éléments

1. Un peu d'histoire : de Mendeleïev au tableau actuel

Au XIXe siècle, les chimistes connaissaient déjà plusieurs dizaines d'éléments et cherchaient à les ordonner. En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev publie un tableau où il range les éléments connus par masse atomique croissante, en plaçant dans une même colonne ceux qui ont des propriétés chimiques semblables.

Son idée géniale : il laisse des cases vides pour des éléments encore inconnus et prédit leurs propriétés. Quelques années plus tard, on découvre le gallium (1875) et le germanium (1886), qui correspondent à ses prévisions. Le tableau devient alors un véritable outil scientifique.

Au début du XXe siècle, on comprend que le bon critère n'est pas la masse, mais le numéro atomique Z (travaux de Moseley, 1913). Aujourd'hui, 118 éléments sont connus et nommés.

2. Le principe de la classification actuelle

Dans la classification périodique des éléments (en abrégé CPE) :

• les éléments sont rangés par numéro atomique Z croissant, de gauche à droite et de haut en bas ;
• une ligne horizontale s'appelle une période ; le tableau complet en compte 7 ;
• une colonne verticale s'appelle un groupe ; le tableau complet en compte 18 ;
• les éléments d'une même colonne forment une famille : ils ont des propriétés chimiques voisines.

Chaque case contient au moins le symbole de l'élément et son numéro atomique Z ; souvent aussi son nom et sa masse molaire atomique.

3. Le tableau simplifié des 18 premiers éléments

En 11e, on travaille surtout avec les trois premières périodes. On les présente dans un tableau simplifié à 8 colonnes, numérotées de I à VIII (elles correspondent aux groupes 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 et 18 du tableau complet).

Le nombre entre parenthèses est Z. Observe : on avance d'une case à chaque fois que Z augmente de 1, et on passe à la ligne suivante après chaque élément de la colonne VIII.

4. Quatre familles à connaître

Les alcalins (colonne I, sauf l'hydrogène) : lithium Li, sodium Na, potassium K… Ce sont des métaux mous (on les coupe au couteau), brillants quand on vient de les couper, très réactifs. On les conserve dans du pétrole pour les protéger de l'air et de l'eau. Au contact de l'eau, ils réagissent vivement en libérant du dihydrogène :

2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂

L'hydrogène est placé dans la colonne I mais n'est pas un alcalin : c'est un gaz non métallique.

Les alcalino-terreux (colonne II) : béryllium Be, magnésium Mg, calcium Ca… Ce sont des métaux, un peu moins réactifs que les alcalins. Le calcium se trouve dans le calcaire et dans nos os.

Les halogènes (colonne VII) : fluor F, chlore Cl, brome Br, iode I… Ce sont des non-métaux formés de molécules diatomiques (F₂, Cl₂, Br₂, I₂). À température ordinaire, le dichlore est un gaz jaune-vert, le dibrome un liquide rouge-brun et le diiode un solide gris-violet. Ils réagissent avec les métaux pour donner des sels, comme le chlorure de sodium :

2 Na + Cl₂ → 2 NaCl

Le mot « halogène » signifie d'ailleurs « qui produit du sel ». Le chlore sert aussi à désinfecter l'eau de boisson (eau de Javel).

Les gaz nobles, ou gaz rares (colonne VIII) : hélium He, néon Ne, argon Ar… Ce sont des gaz formés d'atomes isolés et presque inertes : ils ne réagissent pratiquement avec rien. L'argon sert à remplir certaines ampoules, le néon donne la lumière rouge-orangé de certaines enseignes, l'hélium gonfle les ballons qui montent.

5. Métaux et non-métaux

Le tableau se partage en deux grandes zones :

• à gauche et au centre : les métaux (sodium, magnésium, aluminium, fer, cuivre, or…). Ils sont brillants, conduisent bien le courant électrique et la chaleur, se déforment sans se casser (ductiles et malléables). Ils forment des ions positifs ;
• à droite : les non-métaux (carbone, azote, oxygène, soufre, chlore…). Ils sont en général mauvais conducteurs, et, à l'état solide, cassants. Ils forment souvent des ions négatifs ou des molécules ;
• entre les deux, le long d'une ligne en escalier, quelques éléments aux propriétés intermédiaires (bore, silicium…), parfois appelés métalloïdes. Le silicium est utilisé dans les panneaux solaires.

Plus des trois quarts des éléments sont des métaux. La Guinée est riche en éléments métalliques : l'aluminium de la bauxite, le fer, l'or… Le diamant, lui, est fait de carbone, un non-métal.

6. Pourquoi « périodique » ?

Quand on parcourt les éléments par Z croissant, les propriétés reviennent régulièrement, comme les saisons reviennent chaque année : après un gaz noble vient toujours un alcalin très réactif, et juste avant un gaz noble se trouve toujours un halogène. C'est cette répétition, cette périodicité, qui a donné son nom au tableau. Tu verras dans la leçon « Relation entre la classification périodique et la structure atomique » que cette régularité s'explique par la répartition des électrons.