Le tableau périodique

À mesure que les premiers chimistes découvraient plus d’éléments, ils se sont rendu compte que divers éléments pouvaient être regroupés d’après leurs comportements chimiques similaires. L’un de ces groupement comprend le lithium (Li), le sodium (Na) et le potassium (K). Tous ces éléments sont brillants, conduisent bien la chaleur et l’électricité, et ont des propriétés chimiques similaires. Un deuxième groupement comprend le calcium (Ca), le strontium (Sr) et le baryum (Ba), qui sont également brillants et de bons conducteurs de chaleur et d’électricité, et qui ont des propriétés chimiques en commun. Toutefois, les propriétés spécifiques de ces deux groupements sont sensiblement différentes les unes des autres. Par exemple, Li, Na et K sont beaucoup plus réactifs que Ca, Sr et Ba. De plus, Li, Na et K forment des composés avec l’oxygène dans un rapport de deux de leurs atomes pour un atome d’oxygène, alors que Ca, Sr et Ba forment des composés avec un de leurs atomes pour un atome d’oxygène. Le fluor (F), le chlore (Cl), le brome (Br) et l’iode (I) présentent également des propriétés similaires entre eux, mais ces propriétés sont radicalement différentes de celles de n’importe quel élément ci-dessus.

Dimitri Mendeleev en Russie (1869) et Lothar Meyer en Allemagne (1870) ont reconnu indépendamment une relation périodique entre les propriétés des éléments connus à cette époque. Ils ont publié tous les deux des tableaux avec les éléments disposés en fonction de la masse atomique croissante. Cependant, Mendeleev est allé un pas plus loin que Meyer ; il a utilisé son tableau pour prédire l’existence d’éléments qui auraient des propriétés semblables à l’aluminium et au silicium, mais qui n’étaient pas encore connus. Les découvertes du gallium (1875) et du germanium (1886) ont apporté un soutien important aux travaux de Mendeleev. Bien que Mendeleev et Meyer aient connu une longue dispute sur la priorité, les contributions de Mendeleev au développement du tableau périodique sont maintenant plus largement reconnues.

Au XXe siècle, il est devenu évident que la relation périodique impliquait des numéros atomiques plutôt que des masses atomiques. L’énoncé moderne de cette relation, la loi périodique, stipule ce qui suit : les propriétés des éléments sont des fonctions périodiques de leurs numéros atomiques. Un tableau périodique moderne organise les éléments dans l’ordre croissant de leur numéro atomique, et il regroupe les atomes ayant des propriétés similaires dans la même colonne verticale. Chaque case représente un élément et contient son numéro atomique, son symbole, sa masse atomique moyenne et (parfois) son nom.  

Les éléments sont disposés en sept lignes horizontales, appelées périodes ou séries, et en 18 colonnes verticales, appelées groupes. Les groupes sont indiqués en haut de chaque colonne. Pour que le tableau puisse tenir sur une seule page, des parties de deux des lignes, soit un total de 14 colonnes, sont généralement inscrites sous le tableau principal.

De nombreux éléments diffèrent considérablement dans leurs propriétés chimiques et physiques, mais certains éléments sont similaires dans leurs comportements. Par exemple, de nombreux éléments semblent brillants, sont malléables et ductiles, et conduisent bien la chaleur et l’électricité. D’autres éléments ne sont pas brillants, malléables ou ductiles et sont de mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité. Les éléments peuvent être classés en grandes classes ayant des propriétés communes : les métaux (éléments brillants, malléables, bons conducteurs de chaleur et d’électricité — jaunes ombrés) ; les non-métaux (éléments qui semblent ternes, mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité — rouges ombrés) ; et les métalloïdes (éléments qui conduisent modérément bien la chaleur et l’électricité, et qui possèdent certaines propriétés des métaux et certaines propriétés des non-métaux — violets ombrés).

Les éléments peuvent également être classés dans : les éléments du groupe principal (ou les éléments représentatifs) dans les colonnes numérotées 1, 2 et 13—18 ; les métaux de transition dans les colonnes numérotées 3—12 ; et les métaux de transition interne dans les deux rangées au bas du tableau. Les éléments de la ligne supérieure en bas du tableau sont les lanthanides et les éléments de la ligne inférieure sont des actinides. Les éléments peuvent être davantage subdivisés selon des propriétés plus spécifiques, telles que la composition des composés qu’ils forment. Par exemple, les éléments du groupe 1 (la première colonne) forment des composés qui comprennent un atome de l’élément et un atome d’hydrogène. Ces éléments (à l’exception de l’hydrogène) sont connus sous le nom de métaux alcalins et ont tous des propriétés chimiques similaires. Les éléments du groupe 2 (la deuxième colonne) forment des composés comprenant un atome de l’élément et deux atomes d’hydrogène : ce sont les métaux alcalino-terreux, avec des propriétés similaires parmi les membres de ce groupe.  

Les autres groupes portant des noms spécifiques sont les pnictogènes (groupe 15), les chalcogènes (groupe 16), les halogènes (groupe 17) et les gaz nobles (groupe 18, également connu sous le nom de gaz rares ou gaz inertes). Les groupes peuvent également être désignés par le premier élément du groupe : par exemple, les chalcogènes peuvent être appelés le groupe de l’oxygène ou la famille de l’oxygène. L’hydrogène est un élément non métallique unique dont les propriétés sont similaires à celles des éléments du groupe 1 et du groupe 17. Pour cette raison, l’hydrogène peut être représenté au sommet des deux groupes, ou tout seul.

L’élément 43 (technétium), l’élément 61 (prométhium) et la plupart des éléments avec un numéro atomique 84 (polonium) ou supérieur sont indiqués avec leur masse atomique entre crochets. Ceci se fait pour les éléments qui sont entièrement constitués d’isotopes radioactifs instables (la radioactivité est traitée plus en détail dans le chapitre sur la chimie nucléaire). Un poids atomique moyen ne peut pas être déterminé pour ces éléments parce que leurs radioisotopes peuvent varier considérablement en abondance relative, selon la source, ou même ne pas exister dans la nature. Le nombre entre crochets est le nombre de masse atomique, qui est une masse atomique approximative de l’isotope le plus stable de cet élément.

Texte adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 2.5 : Le tableau périodique.