Tableau périodique des éléments

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Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, classification périodique des éléments (CPE) ou simplement tableau périodique, représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques.

La conception de ce tableau est généralement attribuée au chimiste russe Dmitri Mendeleïev, qui, en 1869, construisit une table, différente de celle qu'on utilise aujourd'hui[a] mais semblable dans son principe, dont le grand intérêt était de proposer une classification systématique des éléments connus à l'époque en vue de souligner la périodicité de leurs propriétés chimiques, d'identifier les éléments qui restaient à découvrir, voire de prédire certaines propriétés d'éléments chimiques alors inconnus.

Le tableau périodique a connu de nombreux réajustements depuis lors jusqu'à prendre la forme que nous lui connaissons aujourd'hui. Il est devenu un référentiel universel auquel peuvent être rapportés tous les types de comportements physique et chimique des éléments. Depuis la mise à jour de l'UICPA du 28 novembre 2016, sa forme standard comporte 118 éléments[1], allant de l'hydrogène 1H à l'oganesson 118Og.

Tableau périodique des éléments au 28 novembre 2016.
Tableau périodique des éléments avec données numériques.

Le tableau périodique standard[modifier | modifier le code]

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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
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
Cn
113
Nh
114
Fl
115
Mc
116
Lv
117
Ts
118
Og
 
* 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
 
Légende    
L'abondance naturelle est indiquée par le bord des cases :
   
L'état standard à °C et 1 atm
  Trait continu   Élément primordial est indiqué par la couleur du numéro atomique :
94
   Pu   
Numéro atomique   Tirets épais   Produit de désintégration d'autres éléments Noir Bleu Rouge Gris
Symbole chimique   Pointillé clairs   Élément synthétique (artificiel)   Solide     Liquide     Gazeux     Inconnu  

Les familles d'éléments sont indiquées par la couleur des cases :
Métaux   Non-métaux  
  Alcalins     Alcalino-  
terreux
  Lanthanides     Métaux de  
transition
Métaux
  pauvres  
  Métalloïdes   Autres
  non-métaux  
  Halogènes   Gaz
  nobles  
Éléments
  non classés  
Actinides

Parmi les 118 éléments chimiques connus, 83 sont dits primordiaux parce qu'ils possèdent au moins un isotope stable ou suffisamment stable pour être plus ancien que la Terre. Parmi eux, trois sont radioactifs : l'uranium 92U, le thorium 90Th et le bismuth 83Bi ; la radioactivité de ce dernier est tellement faible qu'elle n'a été mise en évidence qu'en 2003[2].

11 éléments existent naturellement dans l'environnement terrestre mais sont trop radioactifs pour que leurs isotopes présents lors de la formation du Système solaire aient pu subsister jusqu'à nos jours : ils sont formés continuellement par désintégration radioactive d'autres éléments chimiques, principalement de l'uranium et du thorium. C'est par exemple le cas du technétium 43Tc, le plus léger d'entre eux, qui est un produit de fission de l'uranium, et du plutonium 94Pu, le plus lourd d'entre eux, qui est considéré comme un radioisotope naturel présent à l'état de traces dans la pechblende, principal minerai d'uranium. La chaîne de désintégration de l'uranium 238, principal isotope naturel d'uranium, produit ainsi continuellement du protactinium 234Pa, du thorium 234Th et 230Th, du radium 226Ra, du radon 222Rn, du polonium 218Po, 214Po et 210Po, du bismuth 214Bi et 210Bi, et du plomb 214Pb, 210Pb et 206Pb, ce dernier étant stable.

Les 24 derniers éléments sont dits synthétiques car ils n'existent pas naturellement dans l'environnement terrestre et sont produits artificiellement dans les réacteurs nucléaires ou expérimentalement en laboratoire. On peut cependant trouver certains d'entre eux dans la nature à la suite d'essais nucléaires atmosphériques ou d'accidents nucléaires, comme c'est le cas, dans certaines zones contaminées, pour l'américium 95Am, le curium 96Cm, le berkélium 97Bk et le californium 98Cf. Hors de notre planète, ces éléments, ainsi que l'einsteinium 99Es, sont peut-être produits naturellement par processus r[3] lors d'explosions de supernovae, comme on l'a longtemps pensé de l'isotope 254Cf[4],[5],[6], hypothèse cependant réfutée depuis lors[7] ; ils auraient également été détectés dans le spectre de l'étoile de Przybylski[8].

Parmi les 103 éléments dont l'état standard est connu aux conditions normales de température et de pression (°C et 1 atm), 90 sont solides, 11 sont gazeux, et seulement deux sont liquides : le brome 35Br, fondant à −7,2 °C, et le mercure 80Hg, fondant à −38,8 °C ; plusieurs éléments solides ont cependant un point de fusion voisin de la température ambiante, par exemple le francium 87Fr, à 27 °C, le césium 55Cs, à 28,5 °C, le gallium 31Ga, à 29,8 °C, le rubidium 37Rb, à 39,3 °C, ou encore le phosphore blanc 15P, à 44,2 °C.

Construction du tableau[modifier | modifier le code]

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  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 Nh Fl Mc Lv Ts Og
     
  * 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 où les propriétés physico-chimiques des éléments reposent sur leur configuration électronique, cette dernière est sous-jacente à l'agencement du tableau périodique. Ainsi, chaque ligne du tableau (appelée période) correspond à une couche électronique, identifiée par son nombre quantique principal, noté  : il existe sept couches électroniques connues à l'état fondamental, donc sept périodes dans le tableau périodique standard, numérotées de 1 à 7. Chaque période est elle-même scindée en un à quatre blocs, qui correspondent aux sous-couches électroniques, identifiées par leur nombre quantique secondaire, noté  : il existe quatre types de sous-couches électroniques connues à l'état fondamental, notées s, p, d et f (ces lettres viennent d'abréviations utilisées initialement en spectroscopie). Chacune de ces sous-couches contient respectivement 1, 3, 5 et 7 orbitales atomiques, identifiées par leur nombre quantique magnétique, noté . Enfin, chaque orbitale est occupée par au plus deux électrons, identifiés chacun par leur nombre quantique de spin, noté . Chaque électron d'un atome est donc décrit par quatre nombres quantiques, qui vérifient les propriétés suivantes :

  • le nombre quantique principal est un nombre entier naturel non nul :  ;
  • le nombre quantique azimutal est un nombre entier positif ou nul vérifiant  ;
  • le nombre quantique magnétique est un nombre entier vérifiant  ;
  • le nombre quantique de spin vaut ou , les électrons correspondants étant couramment représentés par les symboles et .

En vertu du principe d'exclusion de Pauli, selon lequel deux fermions (ici, deux électrons) d'un même système (ici, un même atome) ne peuvent partager le même état quantique, les sous-couches électroniques s, p, d et f ne peuvent contenir chacune qu'au plus 2, 6, 10 et 14 électrons respectivement ; dans le tableau périodique, elles matérialisent ainsi le bloc s, le bloc p, le bloc d et le bloc f, contenant respectivement 2, 6, 10 et 14 éléments par période.

Si l'on respecte la construction du tableau par blocs en fonction des configurations électroniques, l'hélium devrait se trouver au-dessus du béryllium dans la 2e colonne, celle dont les atomes ont une sous-couche externe ns2, et non au-dessus du néon dans la 18e colonne, dont les atomes ont une sous-couche externe np6 ; l'hélium est positionné usuellement dans la 18e colonne car c'est celle des gaz nobles, dont il fait chimiquement partie.

Règle de Klechkowski[modifier | modifier le code]

Toutes les sous-couches d'une période n'appartiennent pas nécessairement à la même couche électronique : à partir de la 3e période, des sous-couches appartenant à des couches différentes se remplissent sur une même période. En effet, la distribution des électrons sur les différents niveaux d'énergie quantiques autour de l'atome obéit au principe d'Aufbau (« édification » en allemand), selon lequel l'ordre précis des sous-couches électroniques est donné par la règle de Klechkowski : les sous-couches sont remplies afin que les valeurs puis soient croissantes, avec le nombre quantique principal et le nombre quantique azimutal.

Distribution des électrons dans les orbitales atomiques par sous-couche électronique
Période Sous-couche Nombres quantiques Nombre quantique magnétique Nombre d'électrons
Principal Azimutal -3 -2 -1 0 1 2 3 Sous-couche Période
no 1 1s       ↑ ↓       2 2
no 2 2s       ↑ ↓       2 8
2p     ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓     6
no 3 3s       ↑ ↓       2 8
3p     ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓     6
no 4 4s       ↑ ↓       2 18
3d   ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓   10
4p     ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓     6
no 5 5s       ↑ ↓       2 18
4d   ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓   10
5p     ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓     6
no 6 6s       ↑ ↓       2 32
4f ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ 14
5d   ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓   10
6p     ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓     6
no 7 7s       ↑ ↓       2 32
5f ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ 14
6d   ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓   10
7p     ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓     6

C'est la succession des sous-couches électroniques de chaque période qui détermine la structure du tableau périodique en blocs, chaque période étant définie par le retour d'une sous-couche s suivant une sous-couche p de la période précédente, avec un nombre quantique principal incrémenté d'une unité.

Exceptions et règle de Hund[modifier | modifier le code]

La règle de Klechkowski est observée pour plus de 80 % des 103 éléments dont la configuration électronique à l'état fondamental est connue avec précision, mais une vingtaine d'éléments y font exception. L'état fondamental est en effet par définition celui dont l'énergie est la plus faible, et le spin des électrons entre en jeu pour déterminer cette énergie : plus le spin résultant des électrons d'une orbitale atomique est élevé, plus la configuration de ces électrons sur cette orbitale est stable (règle de Hund). Il s'ensuit que, pour les éléments du bloc d et du bloc f (métaux de transition, lanthanides et actinides), il est énergétiquement moins favorable de suivre la règle de Klechkowski que de favoriser l'occupation impaire des sous-couches les plus externes lorsque la couche d ou f est vide, à moitié remplie ou entièrement remplie, car l'écart d'énergie entre ces sous-couches est inférieur au gain d'énergie induit par la redistribution des électrons maximisant leur spin résultant (dans le tableau qui suit, les distributions d'électrons irrégulières sont indiquées en gras) :

Élément chimique Famille Configuration électronique
no 24 Cr Chrome Métal de transition [Ar] 4s1 3d5
no 28 Ni Nickel Métal de transition [Ar] 4s1 3d9 ( * )
no 29 Cu Cuivre Métal de transition [Ar] 4s1 3d10
no 41 Nb Niobium Métal de transition [Kr] 5s1 4d4
no 42 Mo Molybdène Métal de transition [Kr] 5s1 4d5
no 44 Ru Ruthénium Métal de transition [Kr] 5s1 4d7
no 45 Rh Rhodium Métal de transition [Kr] 5s1 4d8
no 46 Pd Palladium Métal de transition [Kr] 4d10
no 47 Ag Argent Métal de transition [Kr] 5s1 4d10
no 57 La Lanthane Lanthanide [Xe] 6s2 5d1
no 58 Ce Cérium Lanthanide [Xe] 6s2 4f1 5d1
no 64 Gd Gadolinium Lanthanide [Xe] 6s2 4f7 5d1
no 78 Pt Platine Métal de transition [Xe] 6s1 4f14 5d9
no 79 Au Or Métal de transition [Xe] 6s1 4f14 5d10
no 89 Ac Actinium Actinide [Rn] 7s2 6d1
no 90 Th Thorium Actinide [Rn] 7s2 6d2
no 91 Pa Protactinium Actinide [Rn] 7s2 5f2 6d1
no 92 U Uranium Actinide [Rn] 7s2 5f3 6d1
no 96 Cm Curium Actinide [Rn] 7s2 5f7 6d1
no 103 Lr Lawrencium Actinide [Rn] 7s2 5f14 7p1
( * ) Le nickel présente en réalité deux configurations électroniques correspondant à des énergies totales si proches qu'il n'y a pas de consensus pour déterminer laquelle a l'énergie la plus basse. Les manuels notent généralement la configuration régulière [Ar] 4s2 3d8, étayée par les données expérimentales. Cependant, cette configuration correspond à plusieurs niveaux d'énergie très voisins, dont la moyenne a une énergie plus élevée que les niveaux d'énergie de la configuration [Ar] 4s1 3d9, de sorte que cette dernière est souvent retenue par les chercheurs.

Périodicité des propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

Le grand intérêt de la classification périodique est d'organiser les éléments chimiques de telle sorte que leurs propriétés physico-chimiques 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[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 * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
     
  La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu  
  **  Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr  
 
Tableau périodique des éléments chimiques
 
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 usuellement avec des familles de même nom :
Hormis l'hydrogène, les éléments du premier groupe du tableau périodique constituent la famille des métaux alcalins. Il s'agit de métaux peu denses de couleur argentée et à bas point de fusion, plutôt mous à température ambiante, formant des composés ioniques avec les halogènes et chimiquement très réactifs — ils réagissent violemment avec l'eau pour donner des hydroxydes qui sont des bases fortes — de sorte qu'on ne les trouve jamais sous forme élémentaire dans le milieu naturel.
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.
Hormis l'astate et le tennesse en bas de la colonne, les éléments du 17e groupe forment la famille des halogènes. Ils existent sous forme élémentaire diatomique et donnent des acides forts avec l'hydrogène. Ils forment des composés ioniques avec les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux. C'est le seul groupe du tableau


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  1. (en) « IUPAC Periodic Table of the Elements », (consulté le 26 décembre 2016).
  2. (en) Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc et Jean-Pierre Moalic, « Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth », Nature, vol. 422, no 6934,‎ , p. 876-878 (PMID 12712201, DOI 10.1038/nature01541, Bibcode 2003Natur.422..876D, lire en ligne)
  3. (en) I. V. Panov, I. Yu. Korneev et F.-K. Thielemann, « The r-Process in the region of transuranium elements and the contribution of fission products to the nucleosynthesis of nuclei with A ≤ 130 », Astronomy Letters, vol. 34, no 3,‎ , p. 189-197 (DOI 10.1007/s11443-008-3006-1, Bibcode 2008AstL...34..189P, lire en ligne)
  4. (en) G. R. Burbidge, F. Hoyle, E. M. Burbidge, R. F. Christy et W. A. Fowler, « Californium-254 and Supernovae », Physical Review, vol. 103, no 5,‎ , p. 1145-1149 (DOI 10.1103/PhysRev.103.1145, Bibcode 1956PhRv..103.1145B, lire en ligne)
  5. (en) W. Baade, G. R. Burbidge, F. Hoyle, E. M. Burbidge, R. F. Christy et W. A. Fowler, « Supernovae and Californium 254 », Publications of the Astronomical Society of the Pacific, vol. 68, no 403,‎ , p. 296 (DOI 10.1086/126941, JSTOR 40673077, Bibcode 1956PASP...68..296B, lire en ligne)
  6. (de) St. Temesváry, « Das Element Californium-254 und die Lichtkurven der Supernovae von Typ I. Ein Beitrag zur Frage der Synthese schwerer Elemente im Kosmo », Naturwissenschaften, vol. 44, no 11,‎ , p. 321-323 (DOI 10.1007/BF00630928, Bibcode 1957NW.....44..321T, lire en ligne)
  7. (en) John G. Conway, E. Kenneth Hulet et Richard J. Morrow, « Emission Spectrum of Californium », Journal of the Optical Society of America, vol. 52, no 2,‎ , p. 222 (DOI 10.1364/JOSA.52.000222, lire en ligne)
  8. (en) V. F. Gopka, A. V. Yushchenko, V. A. Yushchenko, I. V. Panov et Ch. Kim, « Identification of absorption lines of short half-life actinides in the spectrum of Przybylski’s star (HD 101065) », Kinematics and Physics of Celestial Bodies, vol. 24, no 2,‎ , p. 89-98 (DOI 10.3103/S0884591308020049, Bibcode 2008KPCB...24...89G, lire en ligne)