Historique du tableau périodique

Cette théorie fut délaissée progressivement à mesure que des techniques expérimentales de plus en plus perfectionnées pour étudier la matière et les phénomènes de l'univers physique ont été développées.

À mesure qu'augmentait le nombre d'éléments connus, les chimistes du XIX^e siècle éprouvaient le besoin de les ordonner. On connaissait les masses atomiques et on avait déjà l'habitude de classer les éléments d'après l'augmentation de cette caractéristique. La simple progression des masses atomiques ne pouvait toutefois expliquer logiquement les différents comportements des éléments.

Les premières classifications des éléments

Les triades avec Döbereiner

Le rapport entre la masse atomique des éléments et leurs propriétés fut constaté par un chimiste allemand: J. W. Döbereiner dès 1817. Il suggéra l'existence de «triades» d'éléments semblables tels que le chlore, le brome et l'iode. Il montra en outre que la masse atomique du second élément est intermédiaire entre celle des deux autres.
Vers 1850, les chimistes étaient parvenus à identifier quelque 20 triades, première manifestation d'une certaine harmonie dans la répartition des éléments.

La loi des octaves avec Chancourtois et Newlands

Jusqu'ici, aucune idée de périodicité n'est apparue. C'est en 1862 seulement que le géologue français Alexandre Chancourtois (1820-1886) mit en évidence une certaine répétition dans les propriétés des éléments. En 1864, Chancourtois et le chimiste britannique John Newlands (1837-1898) furent ridiculisés lorsqu'ils proposèrent la «loi des octaves» : «...Le huitième élément, qui suit un élément donné, ressemble au premier comme la huitième note de l'octave ressemble à la première...». Cette loi ne pouvait toutefois s'appliquer aux éléments situés au-delà du calcium. Cette périodicité de huit parut beaucoup trop arbitraire. On qualifia cette suggestion de compliquée, d'artificielle et de fantaisiste. L'idée faisait cependant son chemin.

La périodicité du volume atomique avec Meyer

En 1869, le chimiste allemand Julius Lothar Meyer (1837-1895) découvrit la périodicité du volume atomique et l'illustra au moyen d'une courbe. Les éléments semblables occupent des positions semblables sur la courbe en dents de scie. Les métaux alcalins, entre autres, se trouvent sur les pointes de la courbe.

La loi de la périodicité des propriétés avec Mendeleïev

C'est au chimiste russe, Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907), que revient le mérite d'avoir structuré une classification cohérente de l'ensemble des éléments. En rédigeant un volume de chimie, il se rend compte qu'en plaçant les éléments en ordre croissant de leur masse atomique, il apparaît une tendance en ce qui concerne les propriétés, tendance qui se répète à plusieurs reprises. En 1869, il présenta une première version de son tableau périodique.

Celui-ci contient alors les 63 éléments connus à cette époque.
Mendeleïev disposa son tableau de manière que la périodicité apparût nettement. Dans ce tableau, les éléments sont classés verticalement (ils sont disposés horizontalement dans la classification actuelle). Les rangées horizontales se succèdent régulièrement au fur et à mesure que certaines propriétés chimiques et physiques se répètent. Dans les rangées verticales, on retrouve des éléments possédant à peu près les mêmes propriétés chimiques et des ressemblances dans leurs propriétés physiques.

Pour respecter la loi périodique à laquelle Mendeleïev croyait fermement, il dut parfois modifier l'ordre déterminé par la progression des masses atomiques et laisser certaines cases vides.
Il était persuadé qu'on finirait bien par découvrir les éléments manquants, (ces éléments correspondent aux points d'interrogation devant les masses atomiques relatives 45, 68, 70 et 180) ce qui confirmera le bien-fondé de sa théorie. Il va même jusqu'à prédire les propriétés de trois éléments manquants en se basant sur les propriétés des quatre éléments voisins. Entre 1875 et 1886, ces trois éléments (gallium, scandium, germanium) furent découverts. Chacun possédait bien les propriétés prédites par le chimiste russe. Jusque là, très peu de scientifiques acceptaient les idées de Mendeleïev. Mais lorsque ces éléments prédits par ce dernier furent découverts, présentant de surcroît des propriétés très proches de celles qu'il avait prévues, les scientifiques reconnurent l'utilité de son tableau périodique.

Bien que la classification de Mendeleïev marquât un net progrès sur tous les autres essais de classification d'alors, il reste qu'elle contenait certaines anomalies dues à des masses atomiques encore mal déterminées à l'époque.

La découverte de gaz rares avec Ramsay

En 1895, le chimiste écossais William Ramsay(1852-1916) découvre l'argon et l'hélium. Aucune place n'était prévue pour ces éléments de grande stabilité chimique dans le tableau de Mendeleïev. En se basant sur la similitude de leurs propriétés, on ajoute une colonne au tableau afin de les insérer entre les halogènes et les alcalins, place qui convient alors à leur masse atomique. Peu de temps plus tard, Ramsay découvre le néon, le krypton et le xénon.

Le numéro atomique avec Moseley

En 1914, le physicien anglais Henry Moseley (1887-1915) réussit, à la suite d'études faites au moyen des rayons X, à déterminer le nombre de protons de chacun des éléments. On en conclut que la structure atomique serait une base de classification plus appropriée que la masse atomique. Les éléments sont maintenant disposés en ordre croissant des numéros atomiques (nombre de protons) et on observe la même périodicité concernant les propriétés. Les modifications que Mendeleïev avait dû effectuer en intervertissant l'ordre de certains éléments se trouvent ainsi justifiées.

La disposition moderne avec Seaborg

C'est à Glenn T. Seaborg (1912 - 1999), chimiste américain, que revient la disposition moderne du tableau de classification périodique caractérisée par des rangées horizontales (périodes) et des colonnes verticales (familles chimiques). Il proposa cette version en 1945.

Même si de nombreux éléments furent découverts après la classification des éléments par Mendeleïev et malgré quelques erreurs de classification, sa théorie de la périodicité des propriétés des éléments constitue la base de notre tableau de classification périodique moderne.

De 33 éléments identifiés par Lavoisier vers 1790, nous comptons maintenant 118 éléments.

Fernando Dufour et son arbre périodique des éléments

Un ancien professeur de chimie du Collège Ahuntsic à Montréal, Fernando Dufour, a inventé un nouveau modèle pour placer les éléments. Il s'agit d'un tableau périodique tridimentionnel qu'il a nommé ElemenTree ou arbre périodique. Contrairement aux autres tableaux périodiques, dans lesquels le classement est conforme aux seuls électrons de valence, l'arbre périodique tient compte de tous les électrons de chacun des éléments. Pour en savoir davantage sur cette invention, on peut consulter l'article d'André Lemelin, intitulé De l'ordre dans le tableau (Québec Science, volume 34, numéro 3 (novembre 1995), page 35.

On peut aussi se référer à l'article ElemenTree: A 3-D Periodic Table by Fernando Dufour, revu par George B. Kauffman.

Voyez l'évolution de ses tableaux tridimentionnels: son premier modèle remonte à 1946. Il a consacré plus de 50 ans à tenter de dévoiler le secret périodique...

Les illustrations sont publiées avec la collaboration et la permission de M. Dufour.

Pierre Demers et son système du Québécium

Un professeur horonaire de l'Université de Montréal, Pierre Demers, a imaginé et proposé en 1995 un nouveau système de classification périodique, soit celui du Québécium.

M. Demers propose d'appeler Québécium (Qb) le gaz rare radioactif hypothétique terminant le tableau et portant le numéro 118. Sa formule en sous-couches comprend celle des 117 autres éléments. Le système est basé sur la diminution de la formule du Québécium, que l'auteur nomme vêlage, par analogie avec celui des glaciers libérant des icebergs. Il enlève des électrons en commençant par les dernières sous-couches jusqu'à l'obtention de l'hydrogène.

Le site Québécium International explique en détail les fondements de ce système.

Système du Québécium, 118 éléments - Aperçu du tableau nouveau
Publié avec la permission de M. Demers

Différents styles de tableaux périodiques

Importance du tableau périodique

Structure du tableau périodique

• Les métaux sont les plus nombreux du tableau périodique. On retrouve ces éléments à gauche d'une ligne allant du bore (B) à l'astate (At) dans le tableau périodique. Tous les métaux, sauf le mercure (Hg), sont solides à la température de la pièce. Ils sont luisants, malléables, ductiles; ils conduisent l'électricité et la chaleur et plusieurs d'entre eux réagissent avec des acides.

• Les non-métaux se trouvent dans la partie droite du tableau de classification périodique. Ils ont des aspects très variés et ils possèdent des propriétés fort différentes de celles des métaux. Ils sont ternes, ne conduisent pas ni l'électricité ni la chaleur; ils ne peuvent être laminés et ne sont pas ductiles.

• Les métalloïdes se situent le long de la frontière en forme d'escalier séparant les deux groupes précédents. Ces éléments ressemblent aux non-métaux mais conduisent, à divers degrés, le courant électrique comme les métaux. Leur nom signifie «semblables aux métaux».

Les rangées horizontales dans le tableau périodique forment les périodes. Les électrons des éléments occupant une même période sont distribués sur un même nombre de couches électroniques, nombre donné par le numéro de période.

Les colonnes verticales, quant à elles, forment les familles. Les éléments appartenant à une même famille ont en commun certaines caractéristiques. C'est donc dire que les propriétés chimiques semblables reviennent périodiquement, d'où le nom de tableau de classification périodique.

Voici le nom des quatre principales familles chimiques :

• Les alcalins se situent à l'extrême gauche du tableau de classification périodique. Tous les éléments de cette famille chimique ont en commun une très grande réactivité aux non-métaux et à l'eau. En réagissant avec cette dernière, ils forment un alcali, d'où leur appellation. Ce sont des métaux mous, légers et d'aspect argenté. Ils n'existent pas à l'état pur dans la nature; ils sont toujours combinés à d'autres éléments.

• Les alcalino-terreux se situent à droite de la famille des alcalins. Ils présentent en solution des propriétés alcalines et se retrouvent dans plusieurs roches. Ce sont des solides gris métalliques. Ils ont des analogies avec les alcalins, mais ils sont plus durs et moins réactifs.

• Les gaz inertes ou gaz rares se situent dans la dernière colonne du tableau de classification périodique. Tous ces éléments ont une réactivité chimique presque nulle aux autres éléments. Ils se caractérisent par une très grande stabilité chimique grâce à leurs couches électroniques saturées. Incolores à l'état naturel, ils émettent des couleurs caractéristiques dans des tubes à vide.

• Les halogènes se situent dans la colonne à gauche des gaz inertes. Ils sont tellement réactifs qu'on ne les rencontre qu'à l'état combiné dans la nature. Cette famille tire son nom d'un mot grec qui signifie «générateurs de sels». En effet, ils forment des sels avec les alcalins; ils donnent des acides forts avec l'hydrogène.

L'hydrogène se trouve au-dessus de la famille des alcalins. En fait, il n'appartient à aucune famille chimique. Il est un élément unique en son genre pouvant se comporter comme un alcalin et parfois comme un halogène.

Les autres familles chimiques sont désignées par le nom du premier élément qui se trouve en haut de la colonne, sur le tableau périodique. On peut aussi utiliser le chiffre romain et la lettre (A ou B) qui apparaissent en haut des colonnes du tableau.

Principales caractéristiques du tableau périodique

• Les éléments d'une même famille ont des propriétés semblables; les configurations électroniques expliquent cette similitude. En effet, les éléments d'une même famille possèdent le même nombre d'électrons de valence, nombre qui correspond au numéro de la famille.

• Pour les éléments d'une même famille, plus le numéro atomique augmente, plus le rayon de l'atome augmente.

• Pour les éléments d'une même famille, plus le numéro atomique augmente, plus l'énergie d'ionisation diminue.

• Pour les éléments d'une même période, plus le numéro atomique augmente, plus les propriétés métalliques diminuent.

• Pour les éléments d'une même période, plus le numéro atomique augmente, plus le rayon de l'atome tend à diminuer. Les forces d'attraction de plus en plus grandes entre les noyaux et les électrons qui viennent se placer sur des orbitales d'énergie presque identiques expliquent cette caractéristique.

• Pour les éléments d'une même période, plus le numéro atomique augmente, plus l'énergie d'ionisation augmente, quoiqu'il existe certaines irrégularités attribuées à la formation de doublets d'électrons sur les orbitales périphériques.

Références

Livres

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BOUCHARD, Régent., et R. DIONNE. Découvertes - Manuel d'apprentissage, Montréal, Libec inc., 1992, 617 p.

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GRENIER, Eva. En quête des propriétés et de la structure, Laval, HRW, 1991, 150 p.

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SCOTT, Michel. À la découverte de la matière et de l'énergie, Livre des apprentissages 1, Montréal, CEC, 1991, 192 p.

Revue

LEMELIN, André. «De l'ordre dans le tableau», Québec Science, vol. 34, n^o 3, novembre 1995, p. 35.

Sites WWW

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DEMIRJIAN, Doris, et Rollie OTTO. (Page consultée le 5 décembre 2004). Glenn Seaborg - His life and contributions, [En ligne]. Adresse URL: http://www.lbl.gov/seaborg/

HEILMAN, Chris. (Page consultée le 5 décembre 2004). The Pictorial Periodic Table, [En ligne]. Adresse URL: http://140.198.18.108/periodic/periodic.html

KAUFFMAN, George B. (Page consultée le 5 décembre 2004). ElemenTree: A 3-D Periodic Table by Fernando Dufour, [En ligne]. Adresse URL: http://www.link.springer.de/link/service/journals/00897/bibs/0004003/00040308.htm

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