Élément chimique

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Un élément chimique désigne l'ensemble des atomes caractérisés par un nombre défini de protons dans leur noyau atomique. Ce nombre, noté Z, est le numéro atomique de l'élément chimique. En effet, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur structure électronique, laquelle dépend directement du nombre de protons de leur noyau, de sorte que tous les atomes ayant le même numéro atomique partagent les mêmes propriétés chimiques. En revanche, les atomes d'un même élément chimique peuvent avoir un nombre variable de neutrons dans leur noyau, ce qu'on appelle des isotopes.

L'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, sont des éléments chimiques, de même que le fer, le cuivre, l'argent, l'oretc. Chacun est conventionnellement désigné par un symbole chimique, tel que H, C, N, O, ou encore Fe, Cu, Ag, Au, etc. Au total, 118 éléments chimiques ont été observés à ce jour, de numéros atomiques allant de 1 à 118. Parmi ceux-ci, 94 éléments se rencontrent dans le milieu naturel, et 80 éléments ont au moins un isotope stable : tous ceux de numéros atomiques inférieur ou égal à 82 hormis les éléments 43 et 61.

Les éléments chimiques peuvent se combiner entre eux au cours de réactions chimiques pour former d'innombrables composés chimiques. Ainsi, l'eau résulte de la combinaison d'oxygène et d'hydrogène en molécules de formule chimique H2O — deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Dans des conditions opératoires différentes, l'oxygène et l'hydrogène pourront donner des composés différents, par exemple du peroxyde d'hydrogène, ou eau oxygénée, de formule H2O2 — deux atomes d'hydrogène et deux atomes d'oxygène. Réciproquement, chaque composé chimique peut être décomposé en éléments chimiques distincts, par exemple l'eau peut être électrolysée en oxygène et hydrogène.

Une substance pure constituée d'atomes du même élément chimique est appelée corps simple, et ne peut pas être décomposée en d'autres éléments distincts, ce qui différencie un corps simple d'un composé chimique. L'oxygène est un élément chimique, mais le gaz appelé couramment « oxygène » est un corps simple dont le nom exact est dioxygène, de formule O2, pour le distinguer de l'ozone, de formule O3, qui est également un corps simple ; l'ozone et le dioxygène sont des variétés allotropiques de l'élément oxygène. L'état standard d'un élément chimique est celui du corps simple dont l'enthalpie standard de formation est la plus faible aux conditions normales de température et de pression, par convention égale à zéro.

Un élément chimique ne peut pas se transformer en un autre élément par une réaction chimique, seule une réaction nucléaire appelée transmutation peut y parvenir. Cette définition a été formulée en substance pour la première fois par le chimiste français Antoine Lavoisier en 1789[1],[2].

Les éléments chimiques sont communément classés dans une table issue des travaux du chimiste russe Dimitri Mendeleïev et appelée « tableau périodique des éléments » :

  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 Fl Uup Lv Uus Uuo
   
  * 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 périodique des éléments chimiques  

Définitions[modifier | modifier le code]

Abondance[modifier | modifier le code]

Abondance des dix éléments les plus fréquents dans notre galaxie, estimée par spectroscopie[3]
Z Élément ppm
1 Hydrogène 739 000
2 Hélium 240 000
8 Oxygène 10 400
6 Carbone 4 600
10 Néon 1 340
26 Fer 1 090
7 Azote 960
14 Silicium 650
12 Magnésium 580
16 Soufre 440

En tout, 118 éléments ont été observés au 1er trimestre 2012. « Observé » peut simplement vouloir dire qu'on a identifié au moins un atome de cet élément de façon raisonnablement sûre : ainsi, seuls trois atomes de l'élément 118 ont été détectés à ce jour, et ce de façon indirecte à travers les produits de leur chaîne de désintégration. L'UICPA n'a validé que les 112 premiers éléments par numéro atomique croissant ainsi que les éléments 114 et 116[4], dont elle a entériné les noms en anglais ainsi que les symboles chimiques internationaux ; les derniers en date sont les éléments 114 et 116, appelés respectivement flérovium et livermorium depuis le [5], ayant pour symbole chimique Fl et Lv.

Seuls 94 éléments sont observés sur Terre dans le milieu naturel, parmi lesquels six ne sont présents qu'à l'état de traces — le technétium 43Tc, le prométhium 61Pm, l'astate 85At, le francium 87Fr, le neptunium 93Np et le plutonium 94Pu. Tous ces éléments ont également été détectés dans l'espace, ainsi que le californium 98Cf[6].

Les 22 autres éléments observés qui n'existent ni sur Terre ni dans l'espace ont été produits artificiellement par fusion nucléaire à partir d'éléments plus légers.

Selon le modèle standard de la cosmologie, l'abondance relative des isotopes des 95 éléments naturels dans l'univers résulte de quatre phénomènes[7] :

Numéro atomique[modifier | modifier le code]

Le numéro atomique d'un élément, noté Z (en référence à l'allemand Zahl), est égal au nombre de protons contenu dans les noyaux des atomes de cet élément. Par exemple, tous les atomes d'hydrogène ne comptent qu'un seul proton, donc le numéro atomique de l'hydrogène est Z = 1. Si tous les atomes d'un même élément comptent le même nombre de protons, ils peuvent en revanche avoir différents nombres de neutrons : chaque nombre de neutrons d'un élément définit un isotope de cet élément.

Les atomes étant électriquement neutres, ils comptent autant d'électrons, chargés négativement, que de protons, chargés positivement, de sorte que le numéro atomique représente également le nombre d'électrons des atomes d'un élément donné. Les propriétés chimiques d'un élément étant déterminées avant tout par sa configuration électronique, on comprend que le numéro atomique est la caractéristique déterminante d'un élément chimique.

Le numéro atomique définit entièrement un élément : connaître le numéro atomique revient à connaître l'élément. C'est pour cela qu'il est généralement omis avec les symboles chimiques, sauf éventuellement pour rappeler la position de l'élément dans le tableau périodique. Lorsqu'il est représenté, il se positionne en bas à gauche du symbole chimique : ZX.

Nombre de masse[modifier | modifier le code]

Le nombre de masse d'un élément, noté A, est égal au nombre de nucléons (protons et neutrons) contenu dans les noyaux des atomes de cet élément. Si tous les atomes d'un élément donné ont par définition le même nombre de protons, ils peuvent en revanche avoir des nombres différents de neutrons, et donc des nombres de masse différents, ce qu'on appelle des isotopes. Par exemple, l'hydrogène 1H a trois isotopes principaux : le protium 1H (hydrogène courant, dont le noyau à un proton n'a aucun neutron), le deutérium 2H (plus rare, dont le noyau à un proton compte, en plus, un neutron), et le tritium 3H (radioactif et présent dans le milieu naturel à l'état de traces, dont le noyau à un proton compte deux neutrons).

Le nombre de masse n'a généralement aucune incidence sur les propriétés chimiques des atomes, car il n'affecte pas leur configuration électronique ; un effet isotopique peut néanmoins être observé pour les atomes légers, c'est-à-dire le lithium 3Li, l'hélium 2He et surtout l'hydrogène 1H, car l'ajout ou le retrait d'un neutron dans le noyau de tels atomes entraîne une variation relative significative de la masse de l'atome, qui affecte la cinétique des réactions chimiques et l'intensité des liaisons chimiques. Pour les 115 autres éléments, en revanche, le nombre de masse n'a pratiquement pas d'influence sur leurs propriétés chimiques.

Le nombre de masse n'affectant pas les propriétés chimiques des éléments, il est généralement omis avec les symboles chimiques, sauf lorsqu'il s'agit de distinguer des isotopes. Lorsqu'il est représenté, il se positionne en haut à gauche du symbole chimique : AX.

Masse atomique[modifier | modifier le code]

L'unité de masse atomique a été définie par l'UICPA en 1961 comme étant exactement le douzième de la masse du noyau d'un atome de 12C (carbone 12) :

1 u ≈ 1,660538782(83) × 10-27 kg ≈ 931,494028(23) MeV/c2.

La masse au repos d'un nucléon n'est en effet pas pertinente pour mesurer la masse des atomes car protons et neutrons n'ont pas exactement la même masse au repos — respectivement 938,2013(23) MeV/c2 et 939,565560(81) MeV/c2 — et surtout cette masse diffère de celle qu'ils ont lorsqu'ils font partie d'un noyau atomique en raison de l'énergie de liaison nucléaire de ces nucléons, qui induit un défaut de masse entre la masse réelle d'un noyau atomique et le cumul des masses au repos des nucléons qui composent ce noyau.

La masse atomique d'un élément est égale à la somme des produits des nombres de masse de ses isotopes par leur abondance naturelle. Appliqué par exemple au plomb, cela donne :


Isotope   Abondance naturelle A Produit
204Pb 1,4 %     × 204 = 2,9
206Pb 24,1 %     × 206 = 49,6
207Pb 22,1 %     × 207 = 45,7
208Pb 52,4 %     × 208 = 109,0

Masse atomique du plomb = 207,2

La mole étant définie par le nombre d'atomes contenus dans 12 g de carbone 12 (soit N ≈ 6,02214179 1023⋅atomes), la masse atomique du plomb est donc de 207,2 g/mol, avec un défaut de masse de l'ordre de 7,561676 MeV/c2 par nucléon.

De ce qui précède, on comprend qu'on ne peut définir de masse atomique que pour les éléments dont on connaît la composition isotopique naturelle ; à défaut d'une telle composition isotopique, on retient le nombre de masse de l'isotope connu ayant la période radioactive la plus longue, ce qu'on indique généralement en représentant la masse atomique obtenue entre parenthèses ou entre crochets.

Isotopes[modifier | modifier le code]

Article connexe : Table des isotopes.
Isotopes les plus abondants
dans le système solaire[8]
Isotope Nucléides
(ppm)
1H 705 700
4He 275 200
16O 5 920
12C 3 032
20Ne 1 548
56Fe 1 169
14N 1 105
28Si 653
24Mg 513
32S 396
22Ne 208
26Mg 79
36Ar 77
54Fe 72
25Mg 69
40Ca 60
27Al 58
58Ni 49
13C 37
3He 35
29Si 34
23Na 33
57Fe 28
2H 23
30Si 23

Deux atomes dont le noyau compte le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons sont dits « isotopes » de l'élément chimique défini par le nombre de protons de ces atomes. Parmi les 118 éléments observés, seuls 80 ont au moins un isotope stable (non radioactif) : tous les éléments de numéro atomique inférieur ou égal à 82, c'est-à-dire jusqu'au plomb 82Pb, hormis le technétium 43Tc et le prométhium 61Pm. Parmi ceux-ci, seuls 14 n'ont qu'un seul isotope stable (par exemple le fluor, constitué exclusivement de l'isotope 19F), les 66 autres en ont au moins deux (par exemple le cuivre, dans les proportions 69 % de 63Cu et 31 % de 65Cu, ou le carbone, dans les proportions 98,9 % de 12C et 1,1 % de 13C). Il existe en tout 256 isotopes stables connus des 80 éléments non radioactifs, ainsi qu'une vingtaine d'isotopes faiblement radioactifs présents dans le milieu naturel (parfois avec une période radioactive tellement grande qu'elle en devient non mesurable), certains éléments ayant à eux seuls plus d'une demi-douzaine d'isotopes stables ; ainsi, l'étain 50Sn en compte pas moins de dix, d'occurrences naturelles fort variables :

Isotope Abondance naturelle
(%)
N
112Sn 0,97 62
114Sn 0,65 64
115Sn 0,34 65
116Sn 14,54 66
117Sn 7,68 67
118Sn 24,23 68
119Sn 8,59 69
120Sn 32,59 70
122Sn 4,63 72
124Sn 5,79 74

Parmi les 274 isotopes les plus stables connus (comprenant 18 isotopes « quasi-stables » ou très faiblement radioactifs), un peu plus de 60 % (165 nucléides pour être exact) sont constitués d'un nombre pair à la fois de protons (Z) et de neutrons (N), et un peu moins de 1,5 % (seulement quatre nucléides[9]) d'un nombre impair à la fois de protons et de neutrons ; les autres nucléides se répartissent à peu près à parts égales (un peu moins de 20 %) entre Z pair et N impair, et Z impair et N pair. Globalement, 220 nucléides stables (un peu plus de 80 %) ont un nombre pair de protons, et seulement 54 en ont un nombre impair ; c'est un élément sous-jacent à l'effet d'Oddo-Harkins, relatif au fait que, pour Z > 4 (c'est-à-dire à l'exception des éléments issus de la nucléosynthèse primordiale), les éléments de numéro atomique pair sont plus abondants dans l'univers que ceux dont Z est impair. Cet effet se manifeste notamment dans la forme en dents de scie des courbes d'abondance des éléments par numéro atomique croissant :

Abondance des éléments dans l'univers.
Abondance des éléments dans l'écorce terrestre continentale.

Isotones[modifier | modifier le code]

Deux atomes qui ont le même nombre de neutrons mais un nombre différent de protons sont dits isotones. Il s'agit en quelque sorte de la notion réciproque de celle d'isotope.

C'est par exemple le cas des nucléides stables 36S, 37Cl, 38Ar, 39K et 40Ca, situés sur l'isotone 20 : ils comptent tous 20 neutrons, mais respectivement 16, 17, 18, 19 et 20 protons ; les isotones 19 et 21, quant à eux, ne comptent aucun isotope stable.

Radioactivité[modifier | modifier le code]

  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 Fl Uup Lv Uus Uuo
   
  * 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 élément est stable
  Cm   Un isotope a une période d'au moins 4 millions d'années
  Cf   Un isotope a une période d'au moins 800 ans
  Md   Un isotope a une période d'au moins 1 journée
  Bh   Un isotope a une période d'au moins 1 minute
  Uuo   Aucun isotope connu avec certitude n'a de période dépassant 1 minute

80 des 118 éléments du tableau périodique standard possèdent au moins un isotope stable : ce sont tous les éléments de numéro atomique compris entre 1 (hydrogène) et 82 (plomb) hormis le technétium 43Tc et le prométhium 61Pm, qui sont radioactifs.

Dès le bismuth 83Bi, tous les isotopes des éléments connus sont (au moins très faiblement) radioactifs — l'isotope 209Bi a ainsi une période radioactive valant un milliard de fois l'âge de l'univers. Lorsque la période dépasse quatre millions d'année, la radioactivité produite par ces isotopes est négligeable et ne constitue pas de risque sanitaire : c'est par exemple le cas de l'uranium 238, dont la période est de près de 4,5 milliards d'années.

Au-delà de Z = 110 (darmstadtium 281Ds), tous les isotopes des éléments ont une période radioactive de moins de 30 secondes, et de moins d'un dixième de seconde à partir de l'élément 115 (ununpentium 288Uup).

Le modèle en couches de la structure nucléaire permet de rendre compte de la plus ou moins grande stabilité des noyaux atomiques en fonction de leur composition en nucléons (protons et neutrons). En particulier, des « nombres magiques » de nucléons, conférant une stabilité particulière aux atomes qui en sont composés, ont été observés expérimentalement, et expliqués par ce modèle[10]. Le plomb 208, qui est le plus lourd des noyaux stables existants, est ainsi composé du nombre magique de 82 protons et du nombre magique de 126 neutrons.

Certaines théories[11] extrapolent ces résultats en prédisant l'existence d'un îlot de stabilité parmi les nucléides superlourds, pour un « nombre magique » de 184 neutrons et — selon les théories et les modèles — 114, 120, 122 ou 126 protons.

Une approche plus moderne de la stabilité nucléaire montre toutefois, par des calculs fondés sur l'effet tunnel, que, si de tels noyaux superlourds doublement magiques seraient probablement stables du point de vue de la fission spontanée, ils devraient cependant subir des désintégrations α avec une période radioactive de quelques microsecondes[12],[13],[14] ; un îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour du darmstadtium 293, correspondant aux nucléides définis par Z compris entre 104 et 116 et N compris entre 176 et 186 : ces éléments pourraient avoir des isotopes présentant des périodes radioactives atteignant quelques minutes.

Isomères nucléaires[modifier | modifier le code]

Exemple d'isomérie : le tantale 179
Isomère Énergie
d'excitation
(keV)
Période Spin
179Ta 0,0 1,82 an 7/2+
179m1Ta 30,7 1,42 μs 9/2-
179m2Ta 520,2 335 ns 1/2+
179m3Ta 1 252,6 322 ns 21/2-
179m4Ta 1 317,3 9,0 ms 25/2+
179m5Ta 1 327,9 1,6 μs 23/2-
179m6Ta 2 639,3 54,1 ms 37/2+

Un même noyau atomique peut parfois exister dans plusieurs états énergétiques distincts caractérisés chacun par un spin et une énergie d'excitation particuliers. L'état correspondant au niveau d'énergie le plus bas est appelé état fondamental : c'est celui dans lequel on trouve naturellement tous les nucléides. Les états d'énergie plus élevée, s'ils existent, sont appelés isomères nucléaires de l'isotope considéré ; ils sont généralement très instables et résultent la plupart du temps d'une désintégration radioactive.

On note les isomères nucléaires en adjoignant la lettre « m » — pour « métastable » — à l'isotope considéré : ainsi l'aluminium 26, dont le noyau a un spin 5+ et est radioactif avec une période de 717 000 ans, possède un isomère, noté 26mAl, caractérisé par un spin 0+, une énergie d'excitation de 6 345,2 keV et une période de 6,35 s.

S'il existe plusieurs niveaux d'excitation pour cet isotope, on note chacun d'eux en faisant suivre la lettre « m » par un numéro d'ordre, ainsi les isomères du tantale 179 présentés dans le tableau ci-contre.

Un isomère nucléaire retombe à son état fondamental en subissant une transition isomérique, qui se traduit par l'émission de photons énergétiques, rayons X ou rayons γ, correspondant à l'énergie d'excitation.

Isomères nucléaires d'intérêt particulier[modifier | modifier le code]

Certains isomères nucléaires sont particulièrement remarquables :

  • le tantale 180m1 a la particularité d'être stable sur au moins 1015 ans (près de 75 000 fois l'âge de l'univers), ce qui est d'autant plus remarquable que l'état fondamental de l'isotope 180Ta est, au contraire, très instable : le 180mTa est le seul isomère nucléaire présent dans le milieu naturel ; le mécanisme de sa formation dans les supernovae est d'ailleurs mal compris ;
  • le thorium 229m est peut-être l'isomère connu ayant la plus faible énergie d'excitation, à peine quelques électron-volts : cette énergie est si faible qu'elle est difficilement mesurable, l'estimation la plus récente la situant vers (7,6 ± 0,5) eV[16], tandis qu'un consensus plus ancien la plaçait vers (3,5 ± 1,0) eV[17]. Cela correspond à des photons dans l'ultraviolet, et, s'il était possible d'exciter l'isotope 229Th avec un laser ultraviolet de longueur d'onde adéquate, cela rendrait possible la réalisation de batteries à haute densité d'énergie, voire peut-être d'horloges atomiques de précision ;

Allotropes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Allotropie.
Le diamant et le graphite sont deux allotropes du carbone.

Un même élément chimique peut former plusieurs corps simples différant seulement les uns des autres par l'agencement des atomes dans les molécules ou les structures cristallines qui les définissent. Le carbone existe ainsi sous forme graphite à système cristallin hexagonal, sous forme diamant à structure tétraédrique, sous forme graphène qui correspond à un unique feuillet hexagonal de graphite, ou encore sous formes fullerène ou nanotube de carbone qui peuvent être vues comme des feuillets de graphène respectivement sphériques et tubulaires. Ces différentes formes de carbone sont appelées allotropes de cet élément. De la même façon, l'ozone O3 et le dioxygène O2 sont des allotropes de l'élément oxygène.

(en) Diagramme de phases simplifié du carbone.

Chaque allotrope d'un élément ne peut exister que dans une gamme de températures et de pressions définies, ce qu'on représente par un diagramme de phases. Ainsi, le carbone ne cristallise sous forme diamant qu'en étant soumis à de hautes pressions, le diamant demeurant stable jusqu'à pression ambiante ; lorsqu'il cristallise à pression ambiante, le carbone donne néanmoins du graphite, et non du diamant.

État standard[modifier | modifier le code]

Parmi toutes les variétés allotropiques d'un élément pouvant exister aux conditions normales de température et de pression, l'état standard est, par définition, celle dont l'enthalpie standard de formation est la plus faible, par convention définie comme nulle. Celui du carbone est le graphite, et celui de l'oxygène est le dioxygène, appelé pour cette raison communément « oxygène » en le confondant avec l'élément dont il est l'état standard.

Symboles, nomenclature et classification[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Tableau périodique des éléments.

Symboles des éléments

Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) est à l'origine des symboles chimiques des élément en définissant un système typographique fondé sur l'alphabet latin sans aucun signe diacritique : une lettre majuscule, parfois suivie d'une lettre minuscule (ou deux chez certains éléments synthétiques), sans point marquant normalement une abréviation, dans une démarche universaliste qui a conduit à l'adoption de symboles issus du néolatin de l'époque moderne, par exemple :

Tous les symboles chimiques ont une validité internationale quels que soient les systèmes d'écriture en vigueur, à la différence des noms des éléments qui doivent être traduits.

L'Union internationale de chimie pure et appliquée est l'instance chargée notamment de normaliser la nomenclature internationale des éléments chimiques et de leurs symboles. Cela permet de s'affranchir des querelles de nommage des éléments, qu'il s'agisse des querelles passées (par exemple au sujet du lutécium, que les Allemands ont appelé cassiopeium jusqu'en 1949 suite à une querelle de paternité entre un Français et un Autrichien quant à la première purification de l'élément) ou présentes (notamment au sujet de l'élément 118, synthétisé conjointement par deux équipes, russe et américaine, qui s'opposent sur le nom à donner à cet élément) :

  • le nom des 112 éléments reconnus par l'UICPA est à présent fixé, et le symbole chimique de ces éléments est unifié dans le monde entier ;
  • les six autres éléments observés, ainsi que tous les autres éléments chimiques à ce jour encore inobservés, ont reçu une dénomination systématique fondée sur leur numéro atomique qui leur tient lieu de nom en attendant que leur observation soit validée par l'UICPA. L'élément 118 est ainsi appelé ununoctium en attendant que les choses s'éclaircissent à son sujet.

L'élément 112 est le dernier à avoir été reconnu par l'UICPA, en . Il a été synthétisé pour la première fois à la fin du XXe siècle par une équipe du GSI (le Centre de recherche sur les ions lourds à Darmstadt, en Allemagne), qui a proposé de l'appeler copernicium, avec le symbole chimique Cn ; l'UICPA a validé cette proposition en [5].

Le tableau périodique des éléments est universellement utilisé pour classer les éléments chimiques de telle sorte que leurs propriétés soient largement prédictibles en fonction de leur position dans ce tableau. Issue des travaux du chimiste russe Dmitri Mendeleïev et de son contemporain allemand méconnu Julius Lothar Meyer, cette classification est dite périodique car organisée en périodes successives au long desquelles les propriétés chimiques des éléments, rangés par numéro atomique croissant, se succèdent dans un ordre identique.

Ce tableau fonctionne parfaitement jusqu'aux deux tiers de la septième période, ce qui englobe les 95 éléments détectés naturellement sur Terre ou dans l'espace ; au-delà de la série des actinides (éléments qu'on appelle les transactinides), des effets relativistes, négligeables jusqu'alors, deviennent significatifs et modifient sensiblement la configuration électronique des atomes, ce qui altère très nettement la périodicité des propriétés chimiques aux confins du tableau.

Caractéristiques des différents éléments[modifier | modifier le code]

Liste des éléments : …avec nomenclatures et …illustrée.

Galerie partielle[modifier | modifier le code]

Z
Élément
Symbole
Série chimique
Masse atomique
(g/mol)
Abondance naturelle
dans
l'écorce terrestre[18]
(μg/kg)
Isotopes naturels, classés par abondance décroissante
(les isotopes radioactifs sont marqués d'un astérisque)
1 Hydrogène H Non-métal 1,00794(7)[19],[20],[21] 1 400 000 1H, 2H
2 Hélium He gaz rare 4,002602(2)[19],[21] 8 4He, 3He
3 Lithium Li Métal alcalin 6,941(2)[19],[20],[21],[22] 20 000 7Li, 6Li
4 Béryllium Be Métal alcalino-terreux 9,012182(3) 2 800 9Be
5 Bore B Métalloïde 10,811(7)[19],[20],[21] 10 000 11B, 10B
6 Carbone C Non-métal 12,0107(8)[19],[21] 200 000 12C, 13C
7 Azote N Non-métal 14,0067(2)[19],[21] 19 000 14N, 15N
8 Oxygène O Non-métal 15,9994(3)[19],[21] 461 000 000 16O, 18O, 17O
9 Fluor F Halogène 18,9984032(5) 585 000 19F
10 Néon Ne gaz rare 20,1797(6)[19],[20] 5 20Ne, 22Ne, 21Ne
11 Sodium Na Métal alcalin 22,98976928(2) 23 600 000 23Na
12 Magnésium Mg Métal alcalino-terreux 24,3050(6) 23 300 000 24Mg, 26Mg, 25Mg
13 Aluminium Al Métal pauvre 26,9815386(8) 82 300 000 27Al
14 Silicium Si Métalloïde 28,0855(3)[21] 282 000 000 28Si, 29Si, 30Si
15 Phosphore P Non-métal 30,973762(2) 1 050 000 31P
16 Soufre S Non-métal 32,065(5)[19],[21] 350 000 32S, 34S, 33S, 36S
17 Chlore Cl Halogène 35,453(2)[19],[20],[21] 145 000 35Cl, 37Cl
18 Argon Ar gaz rare 39,948(1)[19],[21] 3 500 40Ar, 36Ar, 38Ar
19 Potassium K Métal alcalin 39,0983(1) 20 900 000 39K, 41K, 40K*
20 Calcium Ca Métal alcalino-terreux 40,078(4)[19] 41 500 000 40Ca, 44Ca, 42Ca, 48Ca*, 43Ca, 46Ca
21 Scandium Sc Métal de transition 44,955912(6) 22 000 45Sc
22 Titane Ti Métal de transition 47,867(1) 5 650 000 48Ti, 46Ti, 47Ti, 49Ti, 50Ti
23 Vanadium V Métal de transition 50,9415(1) 120 000 51V, 50V*
24 Chrome Cr Métal de transition 51,9961(6) 102 000 52Cr, 53Cr, 50Cr, 54Cr
25 Manganèse Mn Métal de transition 54,938045(5) 950 000 55Mn
26 Fer Fe Métal de transition 55,845(2) 56 300 000 56Fe, 54Fe, 57Fe, 58Fe
27 Cobalt Co Métal de transition 58,933195(5) 25 000 59Co
28 Nickel Ni Métal de transition 58,6934(4) 84 000 58Ni, 60Ni, 62Ni, 61Ni, 64Ni
29 Cuivre Cu Métal de transition 63,546(3)[21] 60 000 63Cu, 65Cu
30 Zinc Zn Métal de transition 65,38(2) 70 000 64Zn, 66Zn, 68Zn, 67Zn, 70Zn
31 Gallium Ga Métal pauvre 69,723(1) 19 000 69Ga, 71Ga
32 Germanium Ge Métalloïde 72,64(1) 1 500 74Ge, 72Ge, 70Ge, 73Ge, 76Ge
33 Arsenic As Métalloïde 74,92160(2) 1 800 75As
34 Sélénium Se Non-métal 78,96(3)[21] 50 80Se, 78Se, 76Se, 82Se, 77Se, 74Se
35 Brome Br Halogène 79,904(1) 2 400 79Br, 81Br
36 Krypton Kr gaz rare 83,798(2)[19],[20] 0,1 84Kr, 86Kr, 82Kr, 83Kr, 80Kr, 78Kr
37 Rubidium Rb Métal alcalin 85,4678(3)[19] 90 000 85Rb, 87Rb*
38 Strontium Sr Métal alcalino-terreux 87,62(1)[19],[21] 370 000 88Sr, 86Sr, 87Sr, 84Sr
39 Yttrium Y Métal de transition 88,90585(2) 33 000 89Y
40 Zirconium Zr Métal de transition 91,224(2)[19] 165 000 90Zr, 94Zr*, 92Zr, 91Zr, 96Zr*
41 Niobium Nb Métal de transition 92,90638(2) 20 000 93Nb
42 Molybdène Mo Métal de transition 95,96(2)[19] 1 200 98Mo, 96Mo, 95Mo, 92Mo, 100Mo*, 97Mo, 94Mo
43 Technétium Tc Métal de transition [98,9063][23] Traces 99Tc*, 99mTc*
44 Ruthénium Ru Métal de transition 101,07(2)[19] 1 102Ru, 104Ru, 101Ru, 99Ru, 100Ru, 96Ru, 98Ru
45 Rhodium Rh Métal de transition 102,90550(2) 1 103Rh
46 Palladium Pd Métal de transition 106,42(1)[19] 15 106Pd, 108Pd, 105Pd, 110Pd, 104Pd, 102Pd
47 Argent Ag Métal de transition 107,8682(2)[19] 75 107Ag, 109Ag
48 Cadmium Cd Métal de transition 112,411(8)[19] 150 114Cd, 112Cd, 111Cd, 110Cd, 113Cd*, 116Cd*, 106Cd, 108Cd
49 Indium In Métal pauvre 114,818(3) 250 115In*, 113In
50 Étain Sn Métal pauvre 118,710(7)[19] 2 300 120Sn, 118Sn, 116Sn, 119Sn, 117Sn, 124Sn, 122Sn, 112Sn, 114Sn, 115Sn
51 Antimoine Sb Métalloïde 121,760(1)[19] 200 121Sb, 123Sb
52 Tellure Te Métalloïde 127,60(3)[19] 1 130Te*, 128Te*, 126Te, 125Te, 124Te, 122Te, 123Te, 120Te
53 Iode I Halogène 126,90447(3) 450 127I
54 Xénon Xe gaz rare 131,293(6)[19],[20] 0,03 132Xe, 129Xe, 131Xe, 134Xe, 136Xe, 130Xe, 128Xe, 124Xe, 126Xe
55 Césium Cs Métal alcalin 132,9054519(2) 3 000 133Cs
56 Baryum Ba Métal alcalino-terreux 137,327(7) 425 000 138Ba, 137Ba, 136Ba, 135Ba, 134Ba, 130Ba, 132Ba
57 Lanthane La Lanthanide 138,90547(7)[19] 39 000 139La, 138La*
58 Cérium Ce Lanthanide 140,116(1)[19] 66 500 140Ce, 142Ce, 138Ce, 136Ce
59 Praséodyme Pr Lanthanide 140,90765(2) 9 200 141Pr
60 Néodyme Nd Lanthanide 144,242(3)[19] 41 500 142Nd, 144Nd*, 146Nd, 143Nd, 145Nd, 148Nd, 150Nd*
61 Prométhium Pm Lanthanide [146,9151][23] Traces 145Pm*
62 Samarium Sm Lanthanide 150,36(2)[19] 7 050 152Sm, 154Sm, 147Sm*, 149Sm, 148Sm*, 150Sm, 144Sm
63 Europium Eu Lanthanide 151,964(1)[19] 2 000 153Eu, 151Eu*
64 Gadolinium Gd Lanthanide 157,25(3)[19] 6 200 158Gd, 160Gd, 156Gd, 157Gd, 155Gd, 154Gd, 152Gd*
65 Terbium Tb Lanthanide 158,92535(2) 1 200 159Tb
66 Dysprosium Dy Lanthanide 162,500(1)[19] 5 200 164Dy, 162Dy, 163Dy, 161Dy, 160Dy, 158Dy, 156Dy
67 Holmium Ho Lanthanide 164,93032(2) 1 300 165Ho
68 Erbium Er Lanthanide 167,259(3)[19] 3 500 166Er, 168Er, 167Er, 170Er, 164Er, 162Er
69 Thulium Tm Lanthanide 168,93421(2) 520 169Tm
70 Ytterbium Yb Lanthanide 173,054(5)[19] 3 200 174Yb, 172Yb, 173Yb, 171Yb, 176Yb, 170Yb, 168Yb
71 Lutécium Lu Lanthanide 174,9668(1)[19] 800 175Lu, 176Lu*
72 Hafnium Hf Métal de transition 178,49(2) 3 000 180Hf, 178Hf, 177Hf, 179Hf, 176Hf, 174Hf*
73 Tantale Ta Métal de transition 180,9479(1) 2 000 181Ta, 180m1Ta
74 Tungstène W Métal de transition 183,84(1) 1 250 184W, 186W, 182W, 183W, 180W*
75 Rhénium Re Métal de transition 186,207(1) 0,7 187Re*, 185Re
76 Osmium Os Métal de transition 190,23(3)[19] 1,5 192Os, 190Os, 189Os, 188Os, 187Os, 186Os*, 184Os
77 Iridium Ir Métal de transition 192,217(3) 1 193Ir, 191Ir
78 Platine Pt Métal de transition 195,084(9) 5 195Pt, 194Pt, 196Pt, 198Pt, 192Pt, 190Pt*
79 Or Au Métal de transition 196,966569(4) 4 197Au
80 Mercure Hg Métal de transition 200,59(2) 85 202Hg, 200Hg, 199Hg, 201Hg, 198Hg, 204Hg, 196Hg
81 Thallium Tl Métal pauvre 204.3833(2) 850 205Tl, 203Tl
82 Plomb Pb Métal pauvre 207,2(1)[19],[21] 14 000 208Pb, 206Pb, 207Pb, 204Pb
83 Bismuth Bi Métal pauvre 208,98040(1) 8,5 209Bi*
84 Polonium Po Métal pauvre [208,9824][23] 200×10−9 209Po*
85 Astate At Halogène [209,9871][23] Traces 210At*
86 Radon Rn gaz rare [222,0176][23] 400×10−12 222Rn*
87 Francium Fr Métal alcalin [223,0197][23] Traces 223Fr*, 221Fr*
88 Radium Ra Métal alcalino-terreux [226,0254][23] 900×10−6 226Ra*
89 Actinium Ac Actinide [227,0278][23] 550×10−9 227Ac*
90 Thorium Th Actinide 232,03806(2)[19],[23] 9 600 232Th*
91 Protactinium Pa Actinide 231,03588(2)[23] 1,4×10−3 231Pa*
92 Uranium U Actinide 238,02891(3)[19],[20],[23] 2 700 238U*, 235U*, 234U*
93 Neptunium Np Actinide [237,0482][23] Traces 237Np*
94 Plutonium Pu Actinide [244,0642][23] Traces 244Pu*
95 Américium Am Actinide [243,0614][23]
96 Curium Cm Actinide [247,0704][23]
97 Berkélium Bk Actinide [247,0703][23]
98 Californium Cf Actinide [251,0796][23]
99 Einsteinium Es Actinide [252,0829][23]
100 Fermium Fm Actinide [257,0951][23]
101 Mendélévium Md Actinide [258,0986][23]
102 Nobélium No Actinide [259,1009][23]
103 Lawrencium Lr Actinide [264][23]
104 Rutherfordium Rf Métal de transition [265][23]
105 Dubnium Db Métal de transition [268][23]
106 Seaborgium Sg Métal de transition [272][23]
107 Bohrium Bh Métal de transition [273][23]
108 Hassium Hs Métal de transition [276][23]
109 Meitnerium Mt Métal de transition [279][23]
110 Darmstadtium Ds Métal de transition [278][23]
111 Roentgenium Rg Métal de transition [283][23]
112 Copernicium Cn Métal de transition [285][23]
113 Ununtrium Uut Indéfinie[24] [287][23]
114 Flérovium Fl Indéfinie[24] ou métal pauvre [289][23]
115 Ununpentium Uup Indéfinie[24] [291][23]
116 Livermorium Lv Indéfinie[24] ou métal pauvre [293][23]
117 Ununseptium Uus Indéfinie[25] [294][23]
118 Ununoctium Uuo Indéfinie[26] [294][23]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Traité élémentaire de chimie, p. 101.
  2. Le physicien et chimiste irlandais Robert Boyle, souvent présenté comme l'auteur du concept d'élément chimique, pratiquait en fait l'alchimie et recherchait le moyen de procéder à la transmutation des métaux entre eux. C'est davantage dans le domaine de l'atomisme qu'il a été précurseur, avec ses travaux fondateurs sur la physique des gaz et l'énoncé de la loi de Mariotte.
  3. (en) Ken Croswell, Alchemy of the Heavens, New York, Anchor,‎ février 1996, 1e éd., poche (ISBN 978-0-385-47214-2, OCLC 34384881, lire en ligne)
  4. « Tableau périodique standard de l'UICPA du 22/06/2007 » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?). Consulté le 26 mars 2013 : l'élément 112 n'y figure pas encore car il n'a été reconnu qu'en juin 2009.
  5. a et b http://www.iupac.org/news/news-detail/article/element-114-is-named-flerovium-and-element-116-is-named-livermorium.html
  6. (en) G. R. Burbidge et al., « Californium-254 and Supernovae », Physical Review, vol. 103,‎ 1956, p. 1145 (DOI 10.1103/PhysRev.103.1145, PDF lire en ligne)
  7. (en) Abondance des éléments dans l'espace et nucléosynthèse
  8. (en) David Arnett, Supernovae and Nucleosynthesis, Princeton, New Jersey, Princeton University Press,‎ 1996, 1e éd., poche (ISBN 978-0-691-01147-9, OCLC 33162440, LCCN 95041534)
  9. Ce sont : 2H, 6Li, 10B, et 14N ; il y en a de facto un cinquième avec le 180m1Ta, qui devrait théoriquement connaître une désintégration β en 180W ainsi qu'une capture électronique en 180Hf, mais aucune radioactivité de cette nature n'a jamais été observée, de sorte que cet élément, théoriquement instable, est considéré comme stable.
  10. Nuclear Shell Model : Table 1 – Nuclear Shell Structure, d'après Maria Goeppert Mayer et J. Hans D. Jensen dans « Elementary Theory of Nuclear Shell Structure », John Wiley & Sons, New York, 1955.
  11. Notamment les théories de champ moyen et les théories MM.
  12. (en) C. Samanta, P. Roy Chowdhury et D.N. Basu, « Predictions of alpha decay half lives of heavy and superheavy elements », Nucl. Phys. A, vol. 789,‎ 2007, p. 142–154 (DOI 10.1016/j.nuclphysa.2007.04.001)
  13. (en) P. Roy Chowdhury, C. Samanta et D. N. Basu, « Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability », Phys. Rev. C, vol. 77,‎ 2008, p. 044603 (DOI 10.1103/PhysRevC.77.044603, lire en ligne)
  14. (en) P. Roy Chowdhury, C. Samanta et D. N. Basu, « Nuclear half-lives for α -radioactivity of elements with 100 < Z < 130 », At. Data & Nucl. Data Tables, vol. 94,‎ 2008, p. 781 (DOI 10.1016/j.adt.2008.01.003)
  15. Carl B. Collins et al., « First experimental evidence of induced gamma emission of a longlived Hafnium-178 isomer showing a highly efficient X-rays to gamma-rays conversion », Phys. Rev. Lett. 82, 695 (1999).
  16. (en) B. R. Beck et al., « Energy splitting in the ground state doublet in the nucleus 229Th », Physical Review Letters, vol. 98,‎ 6 avril 2007, p. 142501 (DOI 10.1103/PhysRevLett.98.142501, lire en ligne)
  17. (en) Helmer, R. G. ; Reich, C. W., « An Excited State of Th-229 at 3.5 eV », Physical Review Letters, vol. C49,‎ 1994, p. 1845-1858 (DOI 10.1103/PhysRevC.49.1845)
  18. David R. Lide (éd.) : CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85e éd., CRC Press, Boca Raton, Floride, 2005. Section 14, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea.
  19. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v, w, x, y, z, aa, ab, ac, ad, ae, af, ag, ah, ai, aj, ak, al et am La composition isotopique de cet élément dépend des sources de prélèvement, et la variation peut dépasser l'incertitude indiquée dans la table.
  20. a, b, c, d, e, f, g et h La composition isotopique de cet élément dépend des sources du marché, ce qui peut entraîner un écart significatif par rapport à la valeur indiquée ici.
  21. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n et o La composition isotopique dépend des sources géologiques de sorte qu'une masse atomique plus précise ne peut être déterminée.
  22. La masse atomique du lithium commercial peut varier de 6,939 à 6,996 ; l'analyse de l'échantillon est nécessaire afin de déterminer la valeur exacte de la masse atomique du lithium fourni.
  23. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v, w, x, y, z, aa, ab, ac, ad, ae, af, ag, ah, ai, aj et ak Cet élément n'a pas de nucléide stable, et la valeur indiquée entre crochets correspond à la masse de l'isotope le plus stable de cet élément ou à sa composition isotopique caractéristique.
  24. a, b, c et d Par défaut métal pauvre, bien que la configuration électronique de cet élément et ses propriétés chimiques soient encore indéterminées.
  25. Par défaut halogène, bien que la configuration électronique de cet élément et ses propriétés chimiques soient encore indéterminées.
  26. Par défaut gaz rare, bien que la configuration électronique de cet élément et ses propriétés chimiques soient encore indéterminées.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Tableaux[modifier | modifier le code]

  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 Fl Uup Lv 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
   
  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  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés