LC16 : Classification périodique

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Biblio

• TecDoc PCSI ancienne édition
• Chimie, Tout en un PCSI
• La chimie expérimentale,Chimie organique et minérale Dunod,2007.
• Chimie physique expérimentale. Hermann,2006
• Tableau interactif. On peut jouer avec, sélectionner quelle propriété on compare, c’est bien.
• Histoire
• Vidéo alcalins Na, aspect 0:42, 1:50 explosion : https://www.youtube.com/watch?v=7IT2I3LtlNE
• Toxicologie de l’arsenic

  Prérequis

• Configuration électronique
• Réactions d’oxydo-réduction, notion d’oxydant et de réducteur

  Manips possibles

• Pouvoir oxydant des halogènes : on montre que Cl2 oxyde I- et Br-, que Br- oxyde I- mais pas Cl - (dans des tubes à essai, les couleurs se voient bien). Faire ça avec de l’eau de brome, de l’eau de chlore, de l’eau de diiode, moins toxyque. Sinon, KI, KBr, KCl. Le pouvoir oxydant augmente en montan dans la classification (augmente avec l’électronégativité).
• Pour ces mêmes solides, paramètre de maille au pycnomètre : doit augmenter en descendant.

  Exemples illustratifs

• L’arsenic qui est nocif car As juste en dessous de P, et on utilise P dans le processus de combustion des glucoses

  Idée plan

  I Construction du tableau périodique

  1) Raisonnement historique

Une partie un peu historique qui peut être mise sur diapo à la limite. Au cours du temps, on a découvert les éléments chimiques (tableau), jusqu’à en connaître plus de 80 en 1900. On a besoin de les ranger pour s’y retrouver, donc l’enjeu était de déterminer des règles systématiques afin de classer les éléments. Première question : les classer par quoi?

Une idée : par masse (Dalton 1808), en unité H d’abord. Juste attirer l’attention sur le fait qu’on a découvert les gaz nobles dans les derniers. Pourquoi? Interagissent mal, difficelement analysables. C’est une différence dans les propriétés.

Idée de Chancourtois (1862): classer par masse et regarder les propriétés. Il s’apperçoit d’une certaine périodicité dans les propriétés, à masses différentes, certains éléments ont les mêmes, par exemple O:16, S:32, Se:79 Sélénium, Te:128 Tellure. Il n’attire pas beaucoup l’attention à l’époque, mais il faut être conscient que c’est ce qui est très intéressant dans une classifiation : on veut regrouper les éléments par famille…

Mendeleïev autour de 1869 : propose une classification que l’on retiendra, sous forme de tableau en masse. 2 points notables : il prédit l’existence de certains éléments (notés “Eka-élément au dessus”), qui seront découverts a posteriori. Il manque les gaz nobles, qui sont ajoutés plus tard autour de 1900 par Rayleigh et Ramsay

2) Solution finalement gardée

Aujourd’hui, nous connaissons plutot le tableau périodique par Z croissant, proposé par le théoricien hollandais Anton Von den BROEK, 1913. Montrer le tableau animé (lien biblio).

Z croissant pourquoi intéressant : qui dit ajouter un proton dit ajouter un électron sur l’atome correspondant à l’élément. On s’appuie là dessus pour expliquer les propriétés : en fait pour construire le tableau, on peut dire qu’on met en ligne les éléments en ajoutant un électron à une sous couche, et dès qu’on commence une nouvelle couche (n) on passe à une nouvelle ligne, que l’on nomme période. Exemple sur un élément Phosphore : telle période donc n= et telle colonne donc sous couche tant.

Ainsi, les éléments qui ont des propriétés similaires se retrouvent sur une même colonne, puisqu’ils ont, à un n près, la même sous couche électronique et le même remplissage ! Faire l’élément en desosus de celui pris comme exemple juste avant : arsenic. Illustration du propos : ont des propriétés similaires. Le phosphore est utile dans le processus de consommation d’énergie ou de stockage dans le corps, et comme l’arsenic est proche en propriétés, il peut le remplacer et empoisonner. Donc arsenic propriétés proches donc remplace, mais élément différent donc empoisonne en fait.

3) Blocs et familles

Parler de la colonne des alcalins, halogènes, et bloc s, p, d.

On parle de propriétés que l’on lie aux électrons de valence, mais de quoi parle-t-on exactement? Les électrons de valences sont intéressants pour savoir l’énergie qu’il faut pour ioniser un atome, et pour connaître les liaisons que va faire cet atome, donc la façon dont il va interagir avec son environnement. Voyons au sein d’une famille comment se comportent les éléments…

On parle de propriétés que l’on lie aux électrons de valence, mais de quoi parle-t-on exactement? Les électrons de valences sont intéressants pour savoir l’énergie qu’il faut pour ioniser un atome, et pour connaître les liaisons que va faire cet atome, donc la façon dont il va interagir avec son environnement.

II Lecture des propriétés des éléments

1) Energie de première ionisation (p21 Hprepa PCSI 2010)

Cette partie n’est pas explicitement au programme, mais c’est directement lié à la configuration électronique et aux niveaux d’énergie, ça va

Constat expérimental : augmente de gauche à droite et de bas en haut. On peut expliquer de bas en haut : plus on descend, plus on remplit n élevé, donc une couche externe (d’énergie qui se rapproche de 0), et l’électron est plus facile à arracher.

Ne pas expliquer le gauche à droite, il y a besoin de l’écrantage. Il faut def la charge effective Z’ qui est la charge de noyeau ressentie par un électron. De gauche à droite, les électrons de coeur restent constants et on augmente le nombre de protons, donc la charge effective augmente. Donc les électrons sont plus attirés vers le noyeau, plus difficiles à arracher. Ca explique aussi l’électronégativité.

Plus facile à arracher, ça veut dire qu’il est moins lié à l’atome. L’énergie d’ionisation est un bon indicateur pour connaître la façon dont un atome retient ses électrons. C’est une notion dont vous avez déjà entendu parler : l’électronégativité

2) Electronégativité

C’est la capacité d’un élément à attirer les électrons vers lui, avec les mains. C’est donc intimement lié à l’énergie d’ionisation. Mulliken a proposé une définition de l’électronégativité qui dépend notemment de l’énergie de liaison (croissante avec), mais les chimistes utilisent plus couramment l’énergie de liaison A-A, ce qui est toujours lié aux électrons de Valence et donc leur énergie d’ionisation, nommée échele de Pauling. Programme : savoir que ça existe, mais pas formule. Voir sur l’animation du tableau les deux échelles, l’évolution

Si on parle de Mulliken, lire l’affinité électronique, p24

Un atome électronégatif aura tendance à attirer les électrons vers lui. Donc dans ce car, il fera des laisons plus courtes…

3) Rayon atomique et longueur de liaison

Il augmente de haut en bas et de gauche à droite, expliquer avec Valence et n grand donc r grand, mais aussi avec électronégativité. De plus, un atome électronégatif pourra faire des liaisons plus courtes en général. Manip KI, KBr, KCl au pycno dans le cyclo devrait marcher.

4) Pouvoir oxydant et réducteur

Un atome électronégaif aura tendance à attirer les électrons vers lui. Il sera donc un bon oxydant. Donc à droite du tableau, on a plutot des bonc oxydants, et à gauche des bons réducteurs.

Les halogènes sont des très bons oxydants, les alcalins des réducteurs. Vidéo alcalins.

Voyons comment cela évolue… Manip oxydation halogènes.

Conclusion

On profite donc de tout un travail de classification pour regrouper les éléments par propriétés, en raisonnant finalemen sur le remplissage électronique uniquement. De cette façon, on peut intuiter des propriétés, et c’est ce dont on se sert de façon générale : le tableau périodique est devenu un outil pour appréhender le comportement des éléments, et expliquer ce que l’on voit.

Diapo

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