TP 5 : Etude du

tableau périodique

TRAVAIL PREPARATOIRE :

Lire attentivement les documents et réaliser les recherches demandées.

Se munir d’une feuille de papier millimétré pour la séance de TP

(1) Voici le nom de quelques personnalités ayant influencé la pensée scientifique dans le domaine de la

théorie atomique. Chercher le siècle où ils ont vécu et détailler les hypothèses qu’ils ont émises.

L’une des premières représentations de la matière a été formulée par Aristote durant

l’antiquité grecque. Pour lui, la matière est composée d’un nombre très restreint d’entités qui

donne par une infinité de combinaisons l’ensemble des substances présentes dans l’univers.

Un deuxième courant de pensée, faisant moins l’unanimité mais présentant un intérêt qui

s’est révélé crucial quelques siècles plus tard, a été proposé par un autre grec Démocrite.

Celui-ci comparait la matière à une plage de sable fin que l’on observe du haut d’une falaise.

De ce point de vue, la plage forme un ensemble compact et continu que rien ne parait

perturber. Mais si on observe de plus près, on s’aperçoit que la plage est en réalité constituée

d’une infinité de grains minuscules et que de cette multitude de discontinuités

microscopiques naît la structure macroscopique.

Malheureusement, Aristote, considéré comme le père des sciences, va laisser une empreinte

indélébile sur le domaine de l’atomistique. Ainsi, sa théorie influencera-t-elle les alchimistes

des siècles durant jusqu’à ce que Lavoisier pourfende à jamais sa théorie séculaire.

Lavoisier, chimiste français, va attaquer violemment mais de façon méthodique la théorie du

phlogistique qui perdure encore à l’époque. Il mettra alors fin à des siècles d’alchimie,

empreinte de mysticisme archaïque. Les fondements d’une nouvelle science s’installent : la

chimie.

Dalton, profitant de l’élan révolutionnaire insufflé par Lavoisier, va remettre au goût du jour

la théorie de Démocrite. Mais sa théorie audacieuse ne va pas s’imposer d’elle-même. Il

faudra un siècle environ pour qu’elle trouve les preuves éclatantes de son exactitude. En

effet, des doutes salutaires s’instaurent sur les conjectures émises de part le choc qu’a

représenté la disparition du phlogistique : c’est le positivisme !

Des hommes vont maintenant s’attacher à chercher de nouveaux éléments par des travaux

rigoureux tel Davy ; à réaliser des mesures précises tel Berzelius ; ou à classer

méthodiquement ces éléments tel Mendeleïev afin de confirmer la théorie atomique. Celle-ci

ne sera totalement validée qu’au XXe siècle !

Cette confirmation est due en grande partie aux travaux de Rutherford qui met en place un

modèle dit planétaire de l’atome. Ce modèle sera bientôt complété par d’autres travaux,

ceux de Bohr, Heisenberg, Chadwick …

I/ Les origines du tableau périodique :

1) Quelques tentatives :

a) Tableau de Lavoisier :

« La chimie est une science française », voilà ce que déclare A. Wurtz dans Histoire des doctrines chimiques

publiée en 1868. Si cette affirmation est bien marquée d’une certaine forme de chauvinisme, elle n’en est pas

moins dénuée d’un certain bon sens. En effet, après avoir fait disparaître le monde chimérique de l’alchimie,

Lavoisier va proposer la première définition de l’élément chimique qu’il nomme à l’époque corps simple.

« C’est ainsi que Lavoisier établit le premier […] la notion de corps simples. Il reconnut comme tels les corps dont on ne peut retirer qu’une seule espèce de matière et qui, soumis à l’épreuve de toutes les forces, se retrouvent toujours les mêmes, indestructibles, indécomposables ».

Histoire des doctrines chimiques,

A.Wurtz, 1868

(2) En quoi cette définition est-elle encore exacte aujourd’hui ?

Voici la liste des corps simples que répertorie Lavoisier :

Tableau des substances simples

Substances simples qui

appartiennent aux trois

règnes et qu’on peut

regarder comme les

éléments des corps

Substances simples non

métalliques, oxydables et

acidifiables

Substances simples

métalliques, oxydables et

acidifiables

Substances simples,

salifiables et terreuses

Lumière

Calorique

Oxygène

Azote

Hydrogène

Soufre

Phosphore

Carbone

Radical muriatique

Radical fluorique

Radical boracique

Antimoine

Argent

Arsenic

Bismuth

Cobalt

Cuivre

Etain

Fer

Manganèse

Mercure

Molybdène

Nickel

Or

Platine

Plomb

Tungstène

Zinc

Chaux

Magnésie

Baryte

Alumine

Silice

Méthode de nomenclature

Lavoisier, 1787

(3) Voici le tableau de Lavoisier (ce n’est pas une classification) qui constitue la première tentative de

synthèse méthodique des corps. Qu’y a-t-il d’extrêmement surprenant dans ce tableau ?

b) Classification de Dumas :

Dumas (1800-1884) commence par grouper en familles naturelles les éléments, présentant par l 'ensemble de leurs fonct ions chimiques d ' incontestables analogies, ces règles de classification étant basées sur les deux propositions suivantes :

1- La classification naturelle des corps non métalliques est fondée sur les caractères des composés qu'ils forment avec l'hydrogène, […]

2- La classification naturelle des métaux et en général des corps qui ne s'unissent pas à l'hydrogène doit être fondée sur les caractères des composés qu'ils forment avec le chlore […]

Sur la première règle, Dumas fonde le groupement des métalloïdes en cinq familles naturelles ou genres, encore unanimement adopté aujourd'hui avec de légères modifications.

1er genre. — Hydrogène. 2e genre. — Fluor, chlore, brome, iode. 3e genre. —Oxygène, soufre, sélénium, tellure (osmium). 4e genre.— Azote, phosphore, arsenic, antimoine (bismuth). 5e genre.— Bore, silicium, carbone.

Les corps y sont groupés comme on le voit d'après leur valence ; et il se

trouve que pour les métalloïdes (sauf pour le cinquième genre où le bore trivalent est rapproché du silicium et du carbone tétravalent à cause de l'ensemble des propriétés de ses composés), il y a coïncidence complète entre la classification d'après la valence et les rapprochements basés sur les analogies de fonctions chimiques. Pour les métaux, […] il y a fréquemment discordance entre ces deux modes de classification, et le groupement en est beaucoup plus incertain ; aussi Dumas, s'est-i l contenté pour ces éléments de quelques rapprochements incontestables comme celui du magnésium, du calcium, du strontium, du baryum et du plomb, qui forment une famille naturelle tout à fait comparable à celles des métalloïdes. Finalement, Dumas aboutit aux familles suivantes :

I II

Fluor

Chlore

Brome

Iode

19 35.5 80 127

Azote

Phosphore

Arsenic

Antimoine

14

31

75

122

III IV

Magnésium

Calcium

Strontium

Baryum

Plomb

12

20

43.75

68.5

103.5

Oxygène

Soufre

Sélénium

Tellure

Osmium

8

16

39.75

64.5

99.5

Lois générales de la chimie : introduction du cours de chimie générale, professé à l'École nationale des mines, 1899.

Chesneau, Gabriel (4) Comment nomme-t-on aujourd’hui ces « genres » ?

(5) Sur quels critères forme-t-il ces genres ?

(6) Comment détermine-t-il la valence ?

(7) Dumas pense-t-il juste en proposant ces genres ? Pourquoi ?

(8) Que représente pour chaque genre la deuxième colonne ?

c) Classification de Chancourtois

Voici en quoi consiste le système de Cl’académie des sciences, le 7 avril 1862, sous le nom de vis tellurique. Chancourtois trace sur un cylindre droit à base circulaire une hélice coupant les génératrices à 45° ; chaque spire est divisée en 16 parties égales par autant de génératrices du cylindre, et l’on prend pour unité l’une de ces parties. On porte ensuite à partir de l’origine de la spire supérieure des longueurs proportionnelles aux poids atomiques des corps simplesdont le poids atomique est 16, se trouvesupérieure sur la génératrice du cylindre passanChancourtois appelle points caractéristiques la position de chaque corps ainsi déterminée par son poids atomiquedes corps sur ce cylindre, il en déduit la loi suivantepropriétés des corps sont manifestés par des rapports simples de position de leurs points caractéristiques. Par exemple, l’oxygène, le tellure s’alignent sensiblement sur la génératrice 16, tandis que le magnésium, le calcium, le fer, le strontium, le baopposée 8 ; le lithium, le sodium et le potassium s’alignent sur la génératrice 7 voisine de celle-ci. Le fluor et le chlore s’alignent sur une même génératrice, le brome et l’iode sur une autre.

(9) En quoi la tentative de de

(10) Il y a tout de même un problème à cette c

2) Classification de Mendeleïev

Mendeleïev a eu le génie d’associer les travaux sur les familles d’éléments de Dob

Cooke(… ) avec les travaux sur les masses atomiques de Berzelius, de Chancourtois…

tableaux, l’un en 1869, l’autre plus complet en 1871.

En disposant les éléments d'après la grandeur croissante de leur poids atomique, on une répétition périodique des propriétés. Cdes corps simples, comme les formes et les propriétés des combinaisons, sont une fonction périodique de la grandeur du poids atomique. Chaque élément occupe dans le système périodique une place déterminée par le groupe (chiffre romain) et par la série (chiffre arabe) auxquelde son poids atomique, les analogies, les propriétés et la forme de l'oxyde supérieur et composé hydrogéné ; en un mot les principaux signes qualificatifs et quantitatifs de l'élément.

Classification de Chancourtois :

en quoi consiste le système de Chancourtois présenté par lui à l’académie des sciences, le 7 avril 1862, sous le nom de vis tellurique. Chancourtois trace sur un cylindre droit à base circulaire une hélice coupant

; chaque spire est divisée en 16 parties égales par génératrices du cylindre, et l’on prend pour unité l’une de ces

parties. On porte ensuite à partir de l’origine de la spire supérieure des longueurs proportionnelles aux poids atomiques des corps simples ; l’oxygène

16, se trouve ainsi placé à l’extrémité de la spire supérieure sur la génératrice du cylindre passant par l’origine de cette spire. Chancourtois appelle points caractéristiques la position de chaque corps ainsi

tomique ; en comparant les positions respectives il en déduit la loi suivante : les rapports des

propriétés des corps sont manifestés par des rapports simples de position de leurs points caractéristiques. Par exemple, l’oxygène, le soufre, le sélénium, le

re s’alignent sensiblement sur la génératrice 16, tandis que le magnésium, le calcium, le fer, le strontium, le baryum s’alignent sur la génératrice

; le lithium, le sodium et le potassium s’alignent sur la génératrice luor et le chlore s’alignent sur une même génératrice,

le brome et l’iode sur une autre. Lois générales de la chimie :

introduction du cours de chimie généraleprofessé à l'École nationale des mines,

En quoi la tentative de de Chancourtois est-elle originale par rapport à celle de Dumas

Il y a tout de même un problème à cette classification originale, relevez-le.

Classification de Mendeleïev :

Mendeleïev a eu le génie d’associer les travaux sur les familles d’éléments de Dobereiner, Dumas,

Cooke(… ) avec les travaux sur les masses atomiques de Berzelius, de Chancourtois…

l’un en 1869, l’autre plus complet en 1871.

En disposant les éléments d'après la grandeur croissante de leur poids atomique, on une répétition périodique des propriétés. C’est ce qu'énonce la loi périodiquedes corps simples, comme les formes et les propriétés des combinaisons, sont une fonction périodique de la grandeur du poids atomique.

ccupe dans le système périodique une place déterminée par le groupe (chiffre romain) et par la série (chiffre arabe) auxquels il appartient et qui indiquede son poids atomique, les analogies, les propriétés et la forme de l'oxyde supérieur et

; en un mot les principaux signes qualificatifs et quantitatifs de l'élément.

Principes de chimie

Lois générales de la chimie : introduction du cours de chimie générale,

é à l'École nationale des mines, 1899. Chesneau, Gabriel

elle originale par rapport à celle de Dumas ?

ereiner, Dumas,

Cooke(… ) avec les travaux sur les masses atomiques de Berzelius, de Chancourtois… Il proposa deux

En disposant les éléments d'après la grandeur croissante de leur poids atomique, on obtient est ce qu'énonce la loi périodique : les propriétés

des corps simples, comme les formes et les propriétés des combinaisons, sont une fonction

ccupe dans le système périodique une place déterminée par le groupe s il appartient et qui indique la grandeur

de son poids atomique, les analogies, les propriétés et la forme de l'oxyde supérieur et du ; en un mot les principaux signes qualificatifs et quantitatifs de l'élément.

Principes de chimie, tome II Mendeleïev,

Tignol éditeur, 1899

(11) De qui s’inspire Mendeleïev en classant les éléments par

(12) Retrouver le critère chimique que Dumas a introduit et que Mendeleïev a conservé.

(13) Quelle différence notable peut

(14) L’unité « mole » existe-t-elle à l’époque

(15) A qui doit-on un travail remarquable sur la détermination des masses atomiques

(16) Pourquoi la notion de numéro atomique n’est

3) Quelques erreurs inévitables mais un génie incontestable

Pour respecter la périodicité, Mendeleïev est parfois amené à inverser l'ordre croissant et à laisser des cases vides. Il prévoit ainsi la découverte de nouveaux éléments, dont il estime les masses atomiques et prédit les propriétés. La découverte ultérieupolonium lui donnera raison. Malgré le génie de Mendeleïev, la méconnaissance de la structure de l'atome, de l'isotopie et les nombreux éléments chimiques manquants font obstacle à une clson tableau quelques erreurs. Par exemple, on sait aujourd'hui que le béryllium Be et le magnésium Mg ont des propriétés analogues au calcium Ca et au strontium Sr. Certaines découvertes, comme celles du lanthane La et des gaz nobles, posent problème à Mendeleïev, car il ne sait où les placer. Néanmoins, sa classification permettra à la chimie de faire d'énormes progrès. Mendeleïev restera dans l'histoire l'homme qui a créé le tableau périodique.

(17) Quel est le génie de Mendeleïev

(18) Qu’est-ce qui limite Mendeleïev dans l’établissement de son tableau

Classification périodique en 1899

De qui s’inspire Mendeleïev en classant les éléments par famille ?

Retrouver le critère chimique que Dumas a introduit et que Mendeleïev a conservé.

ifférence notable peut-on relever avec le tableau actuel ?

elle à l’époque ? S’agit-il de la masse molaire atomique

on un travail remarquable sur la détermination des masses atomiques

notion de numéro atomique n’est-elle pas utilisée par Mendeleïev

Quelques erreurs inévitables mais un génie incontestable :

Pour respecter la périodicité, Mendeleïev est parfois amené à inverser l'ordre croissant et à laisser des cases vides. Il prévoit ainsi la découverte de nouveaux éléments, dont il estime les masses atomiques et prédit les propriétés. La découverte ultérieure des éléments scandium, gallium, germanium, technétium, rhénium et polonium lui donnera raison. Malgré le génie de Mendeleïev, la méconnaissance de la structure de l'atome, de l'isotopie et les nombreux éléments chimiques manquants font obstacle à une classification définitive. Il y a dans son tableau quelques erreurs. Par exemple, on sait aujourd'hui que le béryllium Be et le magnésium Mg ont des propriétés analogues au calcium Ca et au strontium Sr. Certaines découvertes, comme celles du lanthane La et des gaz nobles, posent problème à Mendeleïev, car il ne sait où les placer. Néanmoins, sa classification permettra à la chimie de faire d'énormes progrès. Mendeleïev restera dans l'histoire l'homme qui a créé le

Physique

Quel est le génie de Mendeleïev ?

ce qui limite Mendeleïev dans l’établissement de son tableau ?

Classification périodique en 1899

Retrouver le critère chimique que Dumas a introduit et que Mendeleïev a conservé.

il de la masse molaire atomique ?

on un travail remarquable sur la détermination des masses atomiques ?

par Mendeleïev ?

Pour respecter la périodicité, Mendeleïev est parfois amené à inverser l'ordre croissant et à laisser des cases vides. Il prévoit ainsi la découverte de nouveaux éléments, dont il estime les masses atomiques et prédit les

re des éléments scandium, gallium, germanium, technétium, rhénium et polonium lui donnera raison. Malgré le génie de Mendeleïev, la méconnaissance de la structure de l'atome, de

assification définitive. Il y a dans son tableau quelques erreurs. Par exemple, on sait aujourd'hui que le béryllium Be et le magnésium Mg ont des propriétés analogues au calcium Ca et au strontium Sr. Certaines découvertes, comme celles du lanthane La et des gaz nobles, posent problème à Mendeleïev, car il ne sait où les placer. Néanmoins, sa classification permettra à la chimie de faire d'énormes progrès. Mendeleïev restera dans l'histoire l'homme qui a créé le

Physique-Chimie 2nde, BELIN

PPrroopprriiééttééss ddee ll’’éékkaaaalluummiinniiuumm

pprrééddiitteess ppaarr MMeennddeelleeïïeevv PPrroopprriiééttééss dduu ggaalllliiuumm

ttrroouuvvééeess ppaarr ddee BBooiissbbaauuddrraann

Masse molaire 68 Masse molaire 69,9 (actuellement 69,72)

Bas point de fusion Non volatil Non affecté par l’air Décompose la vapeur d’eau si porté au rouge Lentement attaqué par les acides et les bases

Point de fusion 30,15°C Non volatil Non affecté par l’air Action sur la vapeur d’eau inconnue Lentement attaqué par les acides et les bases

Formule Ea2O3 Densité 5,5 L’hydroxyde est soluble en milieu acide et basique

Formule Ga2O3 Densité non déterminée (actuellement, d = 5,9) L’hydroxyde est soluble en milieu acide et basique

Tendance à former des sels basiques Précipité de sulfure avec H 2S EaCl 3 anhydre plus volatil que ZnCl 2

Tendance à former des sels basiques Précipité de sulfure avec H 2S GaCl 3 anhydre plus volatil que ZnCl 2

L’élément sera probablement découvert par analyse spectroscopique

Le gallium fut effectivement découvert à l’aide d’un spectroscope

II/ Etude contemporaine du tableau périodique :

1) Présentation :

(19) Combien y a-t-il d’éléments dans le tableau périodique ?

(20) Découvre-t-on encore aujourd’hui de nouveaux éléments ?

(21) Donner la composition de l’atome.

(22) Que sont les nombres A et Z ?

(23) Qu’est-ce qu’un élément chimique ?

2) Mise en évidence de la périodicité et des familles :

a) La périodicité :

(24) Chercher la définition des notions suivantes :

1- Energie de première ionisation ;

2- Affinité électronique ;

3- Rayon atomique ;

4- Electronégativité (Mulliken et Pauling) .

b) Les familles :

(25) Qu’est-ce qu’une famille ?

(26) Comment nomme-t-on la première et la deuxième famille du tableau périodique ?

(27) Comment nomme-t-on la dernière colonne du tableau périodique ?

(28) Quel est leur état physique dans des conditions normales de température et de pression ?

(29) Quand ces gaz ont-ils été découverts ?

3) Un point sur les masses molaires atomiques :

(30) Définition de la mole

(31) Définition de la masse molaire atomique

(32) Qu’est-ce qu’un spectromètre de masse ?