125012034 Tout en Un Chimie PCSI 1ere Annee 2
693
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H PRPA TOUT EN UN
Le cours : connaissances et mthodes De nombreux exercices corrigs Des extraits de concours
TOUT LE PROGRAMME EN UN SEUL VOLUME !
CHIMIEPCSI
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29 47 79804830
31 49 81135
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Classification priodique
-
H PRPA TOUT EN UN
CHIMIE
PCSI
Andr DURUPTHY
Professeur en classes prparatoires au lyce Paul-Czanne Aix-en-Provence
Jacques ESTIENNE
Matre de confrence lUniversit de Provence (Aix-Marseille-I)
Docteur-Ingnieur de lcole Nationale Suprieure de Chimie de Strasbourg
Magali GIACINO
Professeur en classes prparatoires au lyce Paul-Czanne Aix-en-Provence
Alain JAUBERT
Professeur en classes prparatoires au lyce Thiers Marseille
Claude MESNIL
Professeur en classes prparatoires au lyce Hoche Versailles
avec la collaboration de Odile DURUPTHY, Christine FOURES, Thrse ZOBIRI
Professeurs en classes prparatoires
1
ANNE
RE
-
Composition et mise en page : Laser Graphie
Maquette intrieure : Vronique Lefebvre
Maquette de couverture : Guylaine Moi
Hachette Livre 2010, 43 quai de Grenelle, 75905 Paris Cedex 15
www.hachette-education.com
Tous droits de traduction, de reproduction et dadaptation rservs pour tous pays.
Le Code de la proprit intellectuelle nautorisant, aux termes des articles L. 122-4 et L. 122-5 dune part, que
les copies ou reproductions strictement rserves lusage priv du copiste et non destines une utilisation
collective, et, dautre part, que les analyses et les courtes citations dans un but dexemple et dillustration,
toute reprsentation ou reproduction intgrale ou partielle, faite sans le consentement de lauteur ou de ses
ayants droit ou ayants cause, est illicite .
Cette reprsentation ou reproduction par quelque procd que ce soit, sans autorisation de lditeur ou du Centre
franais de lexploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), constituerait donc une
contrefaon sanctionne par les articles 425 et suivants du Code pnal.
I.S.B.N. 978-2-0118-1752-5
-
Cet ouvrage est conforme aux programmes de la classe de premire anne de Physique,
Chimie et Sciences de l'Ingnieur (PCSI). Les huit premiers chapitres prsentent les notions
qui doivent tre tudies en premire partie.
Tous les chapitres sont construits sur le mme plan :
Le cours expose de faon claire les diffrents points du programme. De nombreux exem-
ples et des applications permettent une approche concrte et attrayante des diverses notions
abordes. Chaque fois que le programme le suggre, les concepts tudis sont abords l'ai-
de d'une prsentation de type TP - cours. Les rsultats retenir sont bien mis en vidence et
sont repris en fin de chapitre dans une rubrique intitule Ce Qu'il Faut Retenir (C.Q.F.R.).
Les exercices, nombreux et varis, permettent une valuation progressive et approfondie
des connaissances et capacits. Souvent extraits d' preuves de concours, ils sont classs en
trois rubriques permettant de tester la comprhension du cours et la solidit des connaissances
acquises. Des exercices en rapport avec les travaux pratiques sont rgulirement proposs afin
d'aider plus particulirement les lves dans la prparation de leurs oraux.
L'ouvrage se termine par :
les corrigs dtaills de tous les exercices ;
des annexes, apportant les complments indispensables la ralisation ds le dbut de l'an-
ne de travaux pratiques utilisant la spectrophotomtrie, la conductimtrie, la potentiom-
trie et la pH-mtrie. D'autres sont consacres la nomenclature en Chimie inorganique et
organique, des tables de constantes et une prsentation de la spectroscopie infrarouge
utilise dans le cours de Chimie Organique et en travaux pratiques.
un index trs complet termine ce livre.
En crivant ce livre, nous avons souhait raliser un ouvrage agrable, clair et attrayant, qui,
nous l' esprons, permettra de nombreux tudiants d'apprcier la Chimie, de prparer avec
succs les concours et saura susciter chez certains une vocation de chimistes. Nous serions trs
heureux d' avoir atteint ces objectifs.
Nous acceptons bien volontiers les suggestions, remarques et critiques de nos collgues et de
leurs tudiants; par avance nous les en remercions.
Les auteurs
Avant-propos
-
Classification priodique des lments ............................................... 5
Architecture molculaire ............................................................................. 34
Vitesses de raction ...................................................................................... 67
Cintique des ractions complexes ........................................................ 100
Mcanismes ractionnels en cintique homogne .......................... 125
Strochimie des molcules organiques .............................................. 163
Ractivit de la double liaison carbone-carbone ............................. 204
Organomagnsiens mixtes ........................................................................ 234
Modle quantique de latome ................................................................. 261
Structure lectronique des molcules .................................................. 296
Interactions de faible nergie ................................................................ 329
Composs liaison carbone-halogne ................................................ 351
Composs liaison simple carbone-azote ......................................... 387
Composs liaison simple carbone-oxygne ................................... 403
Applications du premier principe la chimie ................................... 437
quilibres acido-basiques ........................................................................... 478
quilibres de complexation ...................................................................... 523
quilibres de prcipitation ........................................................................ 549
quilibres doxydorduction ..................................................................... 574
Corrig des exercices ........................................................................................... 607
Annexes .................................................................................................................... 655
Programmes ............................................................................................................ 682
index ........................................................................................................................... 685
19
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10
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2
1
4
SOMMAIRE
H
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Livre
H
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La
photocopie
non
autorise
est
un
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-
5H
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Livre
H
Prpa
/Chim
ie,1
re
anne,PCSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
Classification
priodique
des lments
1
INTRODUCTION
L
a dcouverte de la structure de latome au dbut du
vingtime sicle a marqu une grande tape dans
lavance des connaissances.
Cependant, de nombreux phnomnes mis en vidence
et demeurant sans interprtation tels que les spectres
dmission des atomes, leffet Compton, leffet
Zeeman,ont conduit les physiciens et chimistes du ving-
time sicle abandonner le modle classique de la mca-
nique newtonienne en particulier et introduire un
nouveau modle : la mcanique quantique.
La mcanique quantique se rvle indispensable pour
dcrire les phnomnes qui se produisent lchelle
submicroscopique, cest--dire au niveau des noyaux
atomiques, des atomes, des molcules,
Elle a permis une interprtation et une comprhension
nouvelles de la classification priodique tablie par
le chimiste russe D. Mendeleiv au XIX
e
sicle aprs
collecte et analyse dun trs grand nombre de donnes
exprimentales.
OBJECTIFS
Connatre les quatre nombres
quantiques permettant de dcrire
ltat dun lectron.
Savoir que lnergie dun atome
est quantifie et que les niveaux
dnergie correspondants peuvent
tre dgnrs.
Savoir dterminer la configuration
lectronique dun atome et de ses
ions dans leur tat fondamental
en appliquant le principe de Pauli
et les rgles de Klechkowski et
Hund.
Comprendre et connatre la struc-
ture de la classification priodique.
Savoir dfinir lnergie dionisa-
tion dun atome, laffinit lec-
tronique dun atome et
llectrongativit de Mulliken
dun lment.
Savoir interprter lvolution de
ces grandeurs au sein de la classi-
fication priodique.
PRREQUIS
Notion dlment chimique.
Quantification des changes
dnergie lectronique (cf. Term.
S).
Quantification des niveaux dner-
gie dun atome(cf. Term. S).
Interprtation des spectres de raies
(cf. Term. S).
-
COURS
Classification priodique des lments
1
1 Quantification de lnergie dun atome
1.1 Interactions matire rayonnement
La quantification de lnergie a t introduite en 1900 par M. PLANCK pour inter-
prter le rayonnement mis par des corps lorsquils sont chauffs temprature
uniforme
(*)
: il a postul que les changes dnergie entre la matire et un rayon-
nement monochromatique de frquence S ne peuvent se faire que par quantits
finies dnergie appeles quanta.
Un quantum dnergie correspond la plus petite nergie qui peut tre change.
Pour un rayonnement de frquence , cette nergie a pour valeur :
c = h .
En 1905, pour interprter leffet photolectrique
(**)
, A. EINSTEIN a extrapol le
concept de PLANCK en considrant quun rayonnement monochromatique de
frquence S est constitu de particules appeles photons.
1.2 Spectre des atomes
1.2.1. Obtention du spectre de latome dhydrogne
Un tube dcharge est un tube de verre muni ses extrmits de deux lectrodes
mtalliques et qui contient un gaz sous faible pression (dans le cas considr, il
sagit de dihydrogne une pression proche de 1,5 mbar).
Lorsquon applique une tension leve, de lordre de quelques centaines de volts,
entre ses lectrodes, un courant form dions et dlectrons traverse le tube qui
devient luminescent.
Des chocs inlastiques se produisent entre ces particules et les molcules de dihy-
drogne : certaines de ces molcules vont se dissocier en atomes dhydrogne. Ces
atomes sont excits lors des collisions et vont se dsexciter en mettant des radia-
tions lectromagntiques. Lanalyse, par un prisme ou un rseau, du rayonnement
mis permet dobtenir le spectre dmission de latome dhydrogne (doc. 1)
1.2.2. Spectre de latome dhydrogne et des autres atomes
Le spectre dmission obtenu pour latome dhydrogne est discontinu : cest un
spectre de raies. Les frquences des radiations monochromatiques mises ne peu-
vent prendre que certaines valeurs ; elles sont quantifies.
Un photon est une particule de masse nulle.
Lnergie e de chaque photon de frquence S vaut :
c = h . S
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14
3,8.10
14
7,5.10
14
1,5.10
15
3.10
15
Doc. 1 Spectre de latome dhy-
drogne au voisinage du domaine
visible.
(*) Le modle est appel corps noir :
temprature constante, un corps noir est
suppos absorber toutes les radiations
quil met.
h est la constante de Planck :
h = 6,626.10
34
J . s
(**) Les mtaux peuvent mettre des
lectrons lorsquils sont irradis par des
rayonnements de frquence approprie.
-
COURS
Comme latome dhydrogne, les atomes des autres lments chimiques ont un
spectre dmission constitu de raies. Ces spectres sont caractristiques et permet-
tent didentifier ces atomes (doc. 2).
1.3 La physique quantique
Linterprtation des spectres dmission des atomes des diffrents lments chi-
miques na pu tre faite laide de la mcanique newtonienne. Un nouveau modle
de description de la matire sest alors avr ncessaire : la mcanique quantique.
Les principaux rsultats de cette thorie seront prsents au chapitre 9.
Dans ce chapitre, nous nous limiterons une approche nergtique.
2 Quantification de lnergie
2.1 Les nombres quantiques
2.2 Niveaux dnergie des lectrons dans un atome
Lnergie dun lectron dun atome ne peut prendre que certaines valeurs bien
dtermines : cette nergie est quantifie.
Ces valeurs ne dpendent que du nombre quantique principal n et du nombre
quantique secondaire +
(*)
.
Lnergie dun atome est gale la somme des nergies de ses diffrents
lectrons : elle est donc quantifie.
Les lectrons dun atome se rpartissent sur des niveaux dnergie.
Un niveau dnergie est caractris par un doublet (n, +).
Ces niveaux sont traditionnellement reprs par des notations systmatiques (doc. 3).
Ainsi :
le niveau ns correspond au doublet (n, 0) ;
le niveau np correspond au doublet (n, 1) ;
le niveau nd correspond au doublet (n, 2) ;
le niveau nf correspond au doublet (n, 3).
En mcanique quantique, ltat dun lectron dun atome peut tre dcrit
laide de quatre nombres dits quantiques et nots : n, +, m
+
et m
s
.
n est appel nombre quantique principal. Cest un nombre entier positif :
n 5
*
+ est appel nombre quantique secondaire ou azimutal. Cest un nombre
entier positif ou nul infrieur ou gal n 1 :
+ 5 0 + n 1
m
+
est appel nombre quantique magntique. Cest un entier relatif
compris entre + et + + :
m
+
A + m
+
+ +
m
s
est appel nombre quantique magntique de spin. Pour un lectron,
m
s
peut prendre deux valeurs seulement :
m
s
= +
'
1
2
'
ou m
s
=
'
1
2
'
a)
b)
700
l (nm)
600 500 400
Doc. 2 Spectres dmission de dif-
frents atomes.
Le spectre dmission (ou dab-
sorption) des atomes dun lment
est toujours constitu des mmes
raies : il est caractristique de cet l-
ment : (a) hlium ; (b) mercure.
Ltat dun lectron est dcrit par le
quadruplet :
(n, +, m
+
, m
s
)
(*) En labsence de champ lectrique ou
magntique.
Lobservation dun spectre de raies sex-
plique par le fait que lnergie de latome
est quantifie, cest--dire quelle ne peut
prendre que certaines valeurs.
H
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Livre
H
Prpa
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ie,1
re
anne,PCSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
7
Classification priodique des lments
1
Doc. 3 Les notations s, p, d, f et g
sont dorigine spectroscopique.
+
0 1 2 3 4
niveau dnergie s p d f g
-
COURS
Classification priodique des lments
1
Cependant, si on considre le niveau 2p dfini par n = 2 et + = 1, on peut envisa-
ger trois valeurs diffrentes pour m
+
= 1, 0, 1. Les trois triplets (n, +, m
+
) corres-
pondants, soit (2, 1, 1), (2, 1, 0) et ( 2, 1, 1), caractrisent trois orbitales atomiques
(*)
dgale nergie.
Ainsi, le niveau 2p est trois fois dgnr.
Ltat dun lectron dans un atome est donc dcrit par une orbitale, associe un
niveau dnergie orbitalaire, et par un tat de spin, correspondant lune des deux
valeurs possibles du nombre quantique magntique de spin. On peut dire alors que
llectron occupe le niveau dnergie orbitalaire ; on le reprsente schmati-
quement (doc. 4).
2.3 Diagramme nergtique
Le diagramme nergtique est constitu par la reprsentation des diffrents niveaux
dnergie des lectrons dans latome classs par ordre croissant dnergie.
La reprsentation nergtique de latome consiste figurer les niveaux dnergie
orbitalaire et les lectrons qui les occupent.
2.3.1. Cas de latome dhydrogne
Le niveau de rfrence, gal 0, correspond latome dhydrogne ionis : pro-
ton et lectron immobiles, mais spars par une distance infinie. Les niveaux dner-
gie possibles pour llectron de latome dhydrogne valent alors :
Le document 5 prsente le diagramme nergtique de latome dhydrogne. la
valeur n du nombre quantique principal correspondent n valeurs du nombre quan-
tique secondaire + (0, 1,, n 1) et chaque valeur de + correspondent 2+ + 1
valeurs du nombre quantique magntique m
+
( +, ,0, ,+ + ). En consquence,
au niveau dnergie E
n
, caractris par le nombre quantique principal n, corres-
pondent n
2
orbitales atomiques de triplets (n, +, m
+
) : un niveau dnergie E
n
est
n
2
fois dgnr.
Lorsque lnergie lectronique de latome vaut E
n
avec n > 1, llectron occupe le
niveau dnergie E
n
: il peut effectuer une transition vers un niveau dnergie E
n
avec n < n. Lors de cette transition, lnergie de latome diminue : on dit alors
quil se dsexcite (doc. 6).
La dsexcitation de latome du niveau E
n
vers le niveau E
n
saccompagne
de lmission dun photon dnergie :
e = E
n
E
n
Dans le cas particulier de latome dhydrogne, constitu dun noyau et dun
lectron unique, les diffrents niveaux dnergie lectronique de latome ne
dpendent que du nombre quantique principal n.
Ltat de plus basse nergie de latome est son tat fondamental ; cest ltat
le plus stable. Les tats dnergie suprieure sont dits excits.
Pour sentraner : ex. 1 et 2
Lorsqu un mme niveau dnergie correspondent plusieurs orbitales
atomiques, ce niveau dnergie est dit dgnr.
H
achette
Livre
H
Prpa
/O
ptique,1
re
anne,M
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La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
8
E
n
= avec E = 13,6 eV
E
'
n
2
(*) Nous tudierons au chapitre 9 ces
orbitales atomiques, souvent notes O.A.,
parfois reprsentes par des cases quan-
tiques.
Lnergie cintique acquise par un lec-
tron, de charge e = 1,60 .10
19
C,
acclr par une diffrence de potentiel
de 1,00 V, est gale 1,00 lectronvolt
(1,00 eV) avec :
1,00 eV = 1,60.10
19
J
E
niveau d'nergie
orbitalaire
Doc. 4 Llectron est reprsent par
une flche oriente :
vers le haut pour m
s
= + 1/2 ;
vers le bas pour m
s
= 1/2.
n = 1
1s
n = 2 3,4
13,6
1,5
0,85
0,54
0
E(eV)
2s 2p
n = 3
3s 3p 3d
n = 4
n = 5
n =
= 0 = 1 = 2 = 3 = 4
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f 5g
nombre
quantique principal
+ + + + +
Doc. 5 Diagramme nergtique
pour un atome dhydrogne.
E
E
n
E
n
dsexcitation et
mission d'un
photon de longueur
donde Q
Doc. 6 Dsexcitation de latome
dhydrogne. Lnergie se conserve
au cours du processus : E
n
= E
n
+ e.
-
COURS
Or c = h . S = , la longueur donde de la radiation mise vaut donc :
Q =
Rciproquement, un photon de cette nergie peut tre absorb par un atome dhy-
drogne dont lnergie lectronique est gale E
n
. Son unique lectron qui occu-
pait initialement le niveau E
n
effectue alors une transition vers le niveau E
n
(doc. 7).
2.3.2. Cas des autres atomes : atomes polylectroniques
Pour les atomes polylectroniques, cest--dire possdant plus dun lectron, les
niveaux dnergie dpendent de n et de +. (doc. 8).
On retrouve la notion de couche lectronique utilise dans lenseignement secon-
daire. Une couche est dfinie par le nombre quantique principal n et elle est dsi-
gne par une lettre majuscule K, L, M, N, (doc. 9).
Le terme de sous-couche dsigne un niveau dnergie (n, + ).
Ainsi, la couche L correspondant n = 2 est constitue des deux sous-couches 2s
et 2p. Chaque sous-couche comprend une ou plusieurs orbitales atomiques, une par
valeur de m
+
possible.
Lorsquun lectron dnergie E
n,+
se dsexcite vers le niveau E
n,+
, il y a mis-
sion dun photon dnergie c :
c = E
n,+
E
n,+
Avec c = h . S = , la longueur donde de la radiation mise vaut :
Q =
h .c
''
E
n,+
E
n,+
h . c
'
Q
Pour sentraner : ex. 1, 4 et 5
h . c
'
E
n
E
n
h . c
'
Q
H
achette
Livre
H
Prpa
/Chim
ie,1
re
anne,PCSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
9
Classification priodique des lments
E
E
n
E
n
labsorption dun
photon dnergie
E
n
E
n
saccom-
pagne de lexcita-
tion de latome
Doc. 7 Absorption dun photon.
nergie
3p
3s
2p
2s
1s
Doc. 8 Lordre des nergies des cinq
premires sous-couches est le mme
pour tous les atomes polylectro-
niques.
n 1 2 3 4
couche K L M N
Doc. 9 Notation des couches lec-
troniques. Ces notations sont
valables pour tous les atomes, y com-
pris latome dhydrogne.
1
APPLICATION 1
Longueur donde dune radiation
Les niveaux dnergie de latome dhydrogne ont pour
valeur en eV : E
n
= 13,6 / n
2
.
Quelle est la longueur donde de la radiation Q mise
lors de la dsexcitation du niveau E
4
vers le niveau E
2
?
quel domaine appartient cette radiation ?
Donnes : h = 6,626 . 10
34
J.s ;
c = 3,00 . 10
8
m.s
1
; 1,00 eV = 1,60 . 10
19
J.
Lors de la dsexcitation du niveau E
4
vers le niveau E
2
,
un photon dnergie c = E
4
E
2
est mis.
Or : c = h . S =
La longueur donde de la radiation Q associe ce pho-
ton sen dduit :
Q =
Soit numriquement :
Q =
Q = 4,87.10
7
m = 487 nm
La radiation correspondante appartient la lumire
visible (400 800 nm). Elle est de couleur bleue.
6,626 .10
34
3,00 .10
8
'''
1,60 . 10
19
M
'
1
4
3
2
,6
'
+
'
1
2
3
2
,6
'
N
h .c
'
E
4
E
2
h . c
'
Q
-
COURS
Classification priodique des lments
1
H
achette
Livre
H
Prpa
/O
ptique,1
re
anne,M
PSI-PCSI-PTSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
3 Configuration lectronique dun atome
3.1 Configurations lectroniques
tablir la configuration lectronique dun atome, ou dun ion monoatomique,
dans un tat donn consiste indiquer la rpartition, dans cet tat, des lec-
trons dans les diffrentes sous-couches ou les diffrentes orbitales atomiques,
1s, 2s, 2p, 3s , le nombre dlectrons tant not en exposant.
Ainsi, la notation 1s
2
signifie que deux lectrons occupent lorbitale atomique 1s.
Pour un atome ou un ion monoatomique, il existe autant de configurations lec-
troniques que dtats. On sintresse gnralement la configuration lectronique
dun atome ou dun ion monoatomique dans son tat fondamental, tat le plus stable.
Pour tablir la configuration lectronique dun atome polylectronique dans son
tat fondamental, trois rgles doivent tre appliques : le principe de Pauli, la rgle
de Klechkowski et la rgle de Hunol.
3.2 Principe de Pauli
Ainsi, deux lectrons qui occupent une sous-couche 1s sont dcrits par le
quadruplet (1, 0, 0, + 1/2) pour lun et (1, 0, 0, 1/2) pour lautre.
Ils ont la mme nergie, mais leurs nombres magntiques de spin sont opposs ;
on dit que leurs spins sont antiparallles ou apparis (doc. 10).
Une orbitale atomique ne peut donc pas dcrire plus de deux lectrons.
Ainsi, une sous-couche s peut contenir au plus deux lectrons, une sous-couche p
au plus six lectrons, une sous-couche d au plus dix lectrons, une sous-couche f
au plus quatorze lectrons.
Une sous-couche qui contient le maximum dlectrons quil lui est permis de
contenir est dite sature.
Le principe de Pauli a dj t nonc en classe de Seconde :
Chaque couche ne peut contenir quun nombre limit dlectrons : la couche
de numro n contient au maximum 2n
2
lectrons (doc. 11).
3.3 Rgle de Klechkowski
ltat fondamental, lnergie de latome est minimale : cela correspond une
occupation des niveaux dnergie lectronique les plus bas.
La rgle de Klechkowski
(*)
est une rgle empirique qui permet de retrouver lordre
de remplissage des sous-couches afin dobtenir la configuration lectronique dun
atome dans son tat fondamental.
Le document 12 indique un moyen mnmotechnique pour retrouver lordre de
remplissage des sous-couches donn par la rgle de Klechkowski.
Dans un atome polylectronique, lordre de remplissage des sous-couches
(caractrises par les nombres quantiques n et + ) est celui pour lequel la
somme (n + + ) crot.
Quand deux sous-couches ont la mme valeur pour la somme (n + +), la sous-
couche qui est occupe la premire est celle dont le nombre quantique prin-
cipal n est le plus petit.
Dans un difice monoatomique, deux lectrons ne peuvent pas avoir leurs
quatre nombres quantiques (n, +, m
+
, m
s
) identiques.
E
Doc. 10 Reprsentation nergtique
de la configuration 1s
2
. Llectron
de nombre magntique de spin
m
s
= + 1/2 est reprsent par une
flche oriente vers le haut, celui de
spin m
s
= 1/2 est reprsent par une
flche oriente vers le bas.
Doc. 11 Saturation de la couche M.
/
n
7
6
5
4
3
2
1
0 1 2 3
(1) 1s
(2) 2s 2p
(3) 3s 3p 3d
(4) 4s 4p 4d 4f
(5) 5s 5p 5d 5f
(6) 6s 6p
7p(8)
6d
(7) 7s
(8)
(8)
(7)
(7)
(7)
(6)
(6)
(5)
(5)
(4)
(3)
Doc. 12 Lordre de remplissage est
tabli en suivant les flches bleues
traces toutes parallles celle joi-
gnant 2p et 3s, puis les flches noires
traces de faon relier les extr-
mits des flches bleues. Les valeurs
de (n + + ) sont indiques entre paren-
thses.
(*) La rgle de Klechkowski est parfois
appele principe de construction (ou prin-
cipe de lAufbau).
La couche M(n = 3) peut contenir au
maximum 18 lectrons (2 3
2
) :
2 sur la sous-couche 3s ;
6 sur la sous-couche 3p ;
10 sur la sous-couche 3d.
10
-
COURS
3.4 Rpartition des lectrons dans les orbitales
atomiques des sous-couches
3.4.1. Atomes de numro atomique Z < 6
Hlium (Z = 2) : 1s
2
Les deux lectrons sont dcrits par lorbitale atomique 1s et, conformment au
principe de Pauli, ont leurs spins apparis (doc. 13).
La sous-couche 1s est alors sature.
Lithium (Z = 3) : 1s
2
2s
1
Les deux lectrons de lorbitale atomique 1s ont leurs spins apparis.
Quel est le spin du troisime lectron ?
En labsence de champ extrieur, les deux valeurs de m
s
sont quiprobables et les
deux configurations correspondantes ont mme nergie (doc. 14).
Llectron non appari est dit clibataire.
Bryllium (Z = 4) : 1s
2
2s
2
Les deux sous-couches 1s et 2s sont satures ; leurs lectrons ont des spins apparis.
Bore (Z = 5) : 1s
2
2s
2
2p
1
Les trois orbitales atomiques composant la sous-couche 2p ont la mme nergie.
En labsence dun champ extrieur, llectron peut tre dcrit par nimporte laquelle
de ces trois orbitales atomiques ; les configurations correspondantes ont mme
nergie et sont quiprobables (doc. 15). De plus, les deux valeurs de m
s
sont qui-
probables dans ces conditions.
3.4.2. Cas de latome de carbone
Le cas du carbone (Z = 6) pose un problme. Les cinq premiers lectrons tant dans
le mme tat que pour latome de bore, trois possibilits diffrentes soffrent pour
dcrire ltat du sixime lectron (doc. 16) puisque le niveau 2p est dgnr.
Il est dcrit par la mme orbitale atomique 2p que le cinquime lectron ; leurs
spins sont alors ncessairement apparis pour respecter le principe de Pauli
(doc. 16 a) ;
Il est dcrit par une orbitale atomique 2p diffrente (mais de mme nergie) de
celle qui dcrit le cinquime lectron ; le principe de Pauli nimpose aucune rela-
tion entre leurs spins :
les spins des deux lectrons peuvent tre parallles ; ils ont alors la mme valeur
du nombre quantique magntique de spin m
s
(doc. 16 b) ;
les spins de ces deux lectrons peuvent tre opposs ou antiparallles ; leurs
nombres quantiques magntiques de spin ont alors des valeurs opposes (doc. 16 c).
Ces trois tats ont-ils la mme nergie ? Sinon, quel est celui qui correspond
lnergie minimale, cest--dire ltat fondamental de latome ?
La rgle de Hund permet de dterminer la configuration la plus stable.
3.4.3. Rgle de Hund
La configuration lectronique du carbone dans son tat fondamental scrit 1s
2
2s
2
2p
2
.
Conformment la rgle de Hund, elle correspond un tat comportant deux lec-
trons clibataires spins parallles (doc. 16 b).
Lapplication de la rgle de Hund permet aussi de prciser la rpartition des
lectrons des atomes dazote (Z(N) = 7) et doxygne (Z(O) = 8) dans leur tat
fondamental (doc. 17, 18).
Quand un niveau dnergie est dgnr et que le nombre dlectrons nest
pas suffisant pour saturer ce niveau, ltat de plus basse nergie est obtenu
en utilisant le maximum dorbitales atomiques, les spins des lectrons non
apparis tant parallles.
H
achette
Livre
H
Prpa
/Chim
ie,1
re
anne,PCSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
11
Classification priodique des lments
1
E
1s
Doc. 13 Configuration lectronique
de lhlium ltat fondamental.
E
2s
a) b)
Doc. 14 Pour latome isol, ces
deux tats sont quivalents ; on donne
le plus souvent la reprsentation (a).
2p
2p
a) b)
c)
Doc. 15 tats (avec m
s
= + 1/2)
isonergtiques pour latome de bore
isol.
a) b)
c)
Doc. 16 Diffrents tats correspon-
dants la configuration 2p
2
.
E
2p
2s
1s
2
2s
2
2p
3
1s
Doc. 17 Reprsentation nergtique
de latome dazote ltat fonda-
mental ; il possde trois lectrons
clibataires.
-
E2p
2s
1s
2
2s
2
2p
4
1s
Doc. 18 ltat fondamental,
latome doxygne possde deux lec-
trons clibataires : il est paramagn-
tique.
La rgle de Klechkowski est empirique,
elle peut prsenter des exceptions. Ainsi,
pour latome de :
chrome, la configuration attendue est :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
4
la configuration relle est :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
1
3d
5
cuivre, la configuration attendue est :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
9
la configuration relle est :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
1
3d
10
Ces deux exemples sexpliquent par
la stabilisation particulire des sous-
couches totalement ou demi-remplies.
Pour sentraner : ex. 6, 7, 8 et 9
COURS
Classification priodique des lments
1
Remarque : La rgle de Hund traduit la tendance naturelle des spins tre paral-
lles. Pour obliger deux lectrons avoir deux spins opposs, il est ncessaire de
leur fournir de lnergie ; cest pourquoi ltat le plus stable est celui o les spins
sont parallles.
Il est possible de vrifier exprimentalement la rgle de Hund car la prsence dlec-
trons clibataires (non apparis dans une orbitale) dans un atome ou un difice
polyatomique lui confre des proprits magntiques particulires : il est para-
magntique (doc. 18) alors quen labsence dlectrons clibataires, il est diama-
gntique. De telles espces se comportent diffremment dans un champ magntique
inhomogne. Ces notions seront tudies en Physique en seconde anne.
3.5 Une consquence de la rgle de Klechkowski
ltat fondamental, les dix-huit lectrons de latome dargon (Z = 18)
permettent de saturer les niveaux nergtiques jusquau niveau 3p inclus ; sa
configuration lectronique est alors : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
.
Latome de potassium (Z = 19) a un lectron de plus que celui dargon.
Quelle orbitale dcrit le dix-neuvime lectron ?
partir de n = 3, existent des O.A. de type d caractrises par un nombre quan-
tique azimutal + gal 2. Pour une O.A. 3d, la somme (n + + ) est gale 5 ; pour
une O.A. 4s, la somme (n + + ) est gale (4 + 0), soit 4.
Conformment la rgle de Klechkowski (doc. 12), le niveau 4s est occup avant
le niveau 3d et ltat fondamental de latome de potassium correspond donc la
configuration : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
1
.
Loccupation du niveau 3d ne commence quaprs saturation du niveau 4s (cest-
-dire pour llment de numro atomique Z = 21) : les configurations dans ltat
fondamental des atomes de calcium (Z = 20) et de scandium (Z = 21) sont donc
respectivement : Ca : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
; Sc : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
1
La saturation du niveau 3d sachve pour le zinc (Z = 30) :
Zn : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
10
On revient alors au remplissage des O.A. 4p. Le mme phnomne se produit avec
les niveaux 5s et 4d, puis 6s et 5d, et ainsi de suite.
H
achette
Livre
H
Prpa
/O
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re
anne,M
PSI-PCSI-PTSI
La
photocopie
non
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un
dlit
12
APPLICATION 2
Quelques configurations lectroniques
Dterminer les configurations lectroniques des atomes
daluminium, titane et prasodyme dans leur tat fon-
damental. Prciser la rpartition des lectrons dans les
sous-couches non satures.
Donnes : Z(Al) = 13 ; Z (Ti) = 22 ; Z (Pr) = 59.
Latome daluminium de numro atomique Z = 13 pos-
sde treize lectrons ; sa configuration lectronique dans
ltat fondamental sen dduit : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
1
.
Latome de titane de numro atomique Z = 22 possde
vingt-deux lectrons ; sa configuration lectronique dans
ltat fondamental sen dduit : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
2
.
Daprs la rgle de Hund, les deux lectrons 3d occupent
deux niveaux dnergie orbitalaire avec des spins parallles :
Latome de prasodyme de numro atomique Z = 59
possde cinquante-neuf lectrons ; sa configuration lec-
tronique dans ltat fondamental sen dduit :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
10
4p
6
5s
2
4d
10
5p
6
6s
2
4f
3
Daprs la rgle de Hund, les trois lectrons 4 f occupent
trois niveaux dnergie orbitalaire avec des spins parallles :
-
La configuration lectronique de latome
de titane :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
2
peut scrire de faon simplifie, en don-
nant la configuration de valence selon
n croissant :
[Ar] 3d
2
4s
2
Latome de titane possde quatre lec-
trons de valence.
La configuration lectronique de latome
de prasodyme :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
10
4p
6
5s
2
4d
10
5p
6
6s
2
4f
3
peut scrire de faon simplifie, en don-
nant la configuration de valence selon
n croissant :
[Xe] 4f
3
6s
2
Cet atome possde cinq lectrons de
valence.
Pour trouver la configuration de cur,
on considre la configuration directe-
ment issue de lapplication de la rgle
de Klechkowski et on y repre la sous-
couche sature np
6
de n le plus lev.
Latome de titane a pour configuration :
[Ar] 4s
2
3d
2
qui peut scrire [Ar] 3d
2
4s
2
.
Lion Ti
2+
a pour configuration :
[Ar] 3d
2
(*) Cette ionisation permet de justifier
la rcriture des configurations de
valence dans lordre n croissant.
COURS
3.6 lectrons de cur et lectrons de valence
Pour un atome, les lectrons dont lnergie est la plus grande occupent les dernires
sous-couches remplies ; ce sont ceux qui sont les moins lis au noyau. Ces lec-
trons sont donc plus sensibles aux perturbations extrieures : ils sont appels lec-
trons de valence. Ce sont les lectrons de valence qui sont mis en jeu dans les
ractions chimiques.
Les autres lectrons de latome sont appels lectrons de cur : ils occupent les
sous-couches de plus basse nergie ; ce sont les lectrons les plus lis au noyau.
Ainsi, pour latome de carbone de configuration 1s
2
2s
2
2p
2
, les lectrons de valence
sont les lectrons 2p et 2s (n = 2) et les lectrons de cur sont les lectrons 1s
(n = 1).
Pour allger lcriture des configurations lectroniques, on remplace la totalit ou
une partie des lectrons de cur par le symbole chimique du gaz noble qui pos-
sde ce nombre dlectrons.
Ainsi, la configuration lectronique de laluminium (Z = 13) 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
1
peut scrire de faon simplifie [Ne] 3s
2
3p
1
puisque la configuration lectro-
nique du non dans son tat fondamental scrit : 1s
2
2s
2
2p
6
.
La configuration 3s
2
3p
1
est appele configuration lectronique de valence.
3.7 Configuration lectronique dun ion
La configuration lectronique dun ion dans son tat fondamental se dduit de la
configuration lectronique dun atome dans son tat fondamental.
Pour obtenir un cation monoatomique partir dun atome, il faut arracher cet
atome un ou plusieurs lectrons. Les lectrons de valence de la sous-couche dner-
gie la plus leve sont les plus faciles arracher. Leur dpart conduit lion cor-
respondant dans son tat fondamental.
Latome de sodium (Z = 11) a pour configuration dans son tat fondamental :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
1
Pour obtenir lion sodium Na
+
dans son tat fondamental, on arrache lunique
lectron de valence ; do la configuration de Na
+
dans son tat fondamental :
1s
2
2s
2
2p
6
Latome de fer (Z = 26) a pour configuration lectronique dans son tat
fondamental :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
6
Un atome de fer a donc huit lectrons de valence : six lectrons 3d et deux
lectrons 4s .
Lexprience montre que, lors de lionisation, ce sont les lectrons 4s qui sont
arrachs en premier : lion fer (II) a donc pour configuration lectronique dans
son tat fondamental :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
6
Ce rsultat est gnral :
Lorsque, dans un atome, la dernire sous-couche occupe est une sous-couche
(n 1) d ou (n 2) f , ce sont les lectrons occupant la sous-couche ns qui
sont arrachs en premier lors de la formation des cations correspondants
(*)
.
Les lectrons de valence sont ceux dont le nombre quantique principal
est le plus lev et ceux qui appartiennent des sous-couches en cours de
remplissage.
H
achette
Livre
H
Prpa
/Chim
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dlit
13
Classification priodique des lments
1
-
COURS
Classification priodique des lments
1
Pour obtenir un anion monoatomique partir dun atome, il faut ajouter cet
atome un ou plusieurs lectrons. La configuration lectronique de cet anion dans
son tat fondamental est dtermine en respectant le principe de Pauli et la rgle
de Klechkowski.
H
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4 Classification priodique
des lments
4.1 Notion dlment chimique
La notion dlment chimique date du XVII
e
sicle. Le physicien et chimiste R. BOYLE
en proposa alors la premire dfinition : un lment est ce qui est indcompo-
sable . A. L. DE LAVOISIER reprit lide de R. BOYLE et la prcisa en adoptant un point
de vue exprimental. Le terme lment dsignait alors le corps simple. Cette notion
dlment a t prcise au XX
e
sicle aprs la dcouverte de la structure de latome.
La charge du noyau est donc gale Z . e, cest pourquoi le numro atomique est
aussi appel nombre de charge.
Le nombre de neutrons est gal A Z.
Un atome est une entit lectriquement neutre constitue :
dun noyau charg positivement ; il est compos de nuclons : protons,
porteurs de la charge lectrique e = 1,6. 10
19
C, et neutrons non chargs ;
dlectrons, porteurs de la charge lectrique e = 1,6. 10
19
C, en
mouvement autour du noyau.
Le nombre de protons que contient un noyau est appel numro atomique
ou nombre atomique et est not Z.
Le nombre de nuclons dun noyau est appel nombre de masse et not A.
Pour sentraner : ex. 10 et 11
Un corps simple est constitu datomes
dun seul lment.
Les protons et les neutrons ont des
masses voisines :
m
p
m
n
1,67 . 10
27
kg
La masse de llectron est environ 1 800
fois plus faible que celle dun nuclon :
m
e
= 9,1 . 10
31
kg
La charge de llectron tant exactement
oppose celle du proton : un atome
contient autant dlectrons que de protons.
APPLICATION 3
lectrons de cur, lectrons de valence
1) tablir les configurations lectroniques de latome
de brome (Z = 35) et de lion bromure Br
. crire ces
configurations de faon simplifie laide des confi-
gurations lectroniques de largon Ar (Z = 18) ou du
krypton Kr (Z = 36).
2) Quels sont les lectrons de cur et les lectrons de
valence de ces deux difices monoatomiques ?
1) En appliquant la rgle de Klechkowski et en respec-
tant le principe dexclusion de Pauli, on obtient pour
latome de brome :
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
3d
10
4p
5
soit, de faon simplifie : [Ar] 3d
10
4s
2
4p
5
Lion bromure Br
possde un lectron de plus que
latome de brome. Cet lectron peut se placer sur la sous-
couche 4p qui est la dernire sous-couche occupe de
latome de brome et qui nest pas encore sature. Do
la configuration :
[Ar] 3d
10
4s
2
4p
6
ou [Kr]
2) Les lectrons de valence sont ceux dont le nombre
quantique principal est le plus grand :
4s
2
4p
5
pour latome, soit sept lectrons de valence et
4s
2
4p
6
pour lion, soit huit lectrons de valence.
Pour ces deux difices, les lectrons de cur sont les
lectrons : 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
-
COURS
H
achette
Livre
H
Prpa
/Chim
ie,1
re
anne,PCSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
15
Le mtal cuivre Cu, lhydroxyde de
cuivre (II) Cu(OH)
2
, loxyde de cuivre (I)
Cu
2
O, loxyde de cuivre (II) CuO, le
sulfate de cuivre (II) CuSO
4
, 5H
2
O,
liodure de cuivre (I) CuI sont des repr-
sentants de llment cuivre ; ils com-
portent tous des noyaux contenant
vingt-neuf protons. Z(Cu) = 29.
Li
Be
66
65
64
63
62
61
60
59
58
57
56
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
1
1
0
Na
Mg
K
Ca
Mn
Fe
Doc. 13 Modle de la vis tellurique.
Classification priodique des lments
1
4.2 Histoire de la classification des lments
Linventaire des diffrents lments chimiques connus a de tous temps paru nces-
saire aux chimistes. Ainsi, en 1787, A. L. de LAVOISIER, A. FOURCROY, L.-B. GUYTON
et C.-L. BERTHOLLET dressrent la liste des trente-trois lments chimiques connus
leur poque, mais ils ntablirent pas de classement.
la suite des travaux sur llectrolyse de H. DAVY (dcouvreur du sodium et du
potassium en 1807, du calcium et du strontium en 1808), J.B. DBEIREINER, en 1817,
imagina le concept de triades bas sur les analogies de proprits : alcalino-terreux
(Ca, Sr, Ba) dabord, alcalins (Li, Na, K) et halognes (Cl, Br, I) ensuite.
P. KREMERS franchit une nouvelle tape en montrant que des lments pouvaient
appartenir deux triades disposes perpendiculairement.
La notion de triade conduisit au concept de familles chimiques : alcalins, alcalino-
terreux, halognes, puis chalcognes (O, S, Se, Te) ou analogues de lazote (N, P,
As, Sb, Bi), mais aussi la notion de priodicit dans les proprits chimiques des
lments.
La premire tentative moderne de classement est due A. BRUYER DE CHANCOURTOIS
(1862). Pressentant que les proprits des lments reposaient sur la toute nouvelle
notion de masse atomique propose par S. CANNIZARO (1858), il disposa les lments
sur le long dune hlice senroulant autour dun cylindre de faon que les membres
dune mme famille se trouvent sur la mme gnratrice (doc. 19).
J. NEWLANDS (1865) proposa une nouvelle classification en rangeant, toujours par
masse atomique croissante, les lments par famille au sein de sept groupes ; le
premier terme de chaque groupe tant chaque fois lun des lments les plus lgers
connus lpoque (H, Li, Be, B, C, N et O). Chaque lment dun groupe avait les
proprits voisines des lments situs sept cases avant et sept cases plus loin : do
lappellation de loi des octaves quil choisit.
tablie par ordre croissant des masses atomiques, elle rend compte de la priodi-
cit des proprits chimiques des lments et en particulier de leur valence
(cf. chap. 2). Pendant la mme priode, L. MEYER parvint des conclusions voi-
sines en considrant les volumes atomiques.
D. MENDELEEV eut, en 1871, lide de modifier lordre de certaines masses ato-
miques pour faire correspondre les proprits dun corps nappartenant dans son
tableau initial la mme colonne. Ayant, et ce fut la grande originalit de sa dmarche
scientifique, prsuppos lexistence dlments encore inconnus, il laissa en outre
certaines places vacantes et prdit les proprits des lments correspondants
(doc. 20, page suivante).
La dcouverte, en 1875 par P. LE COQ DE BOISBAUDRAN, du gallium : lment de
masse atomique de 69,7 g . mol
1
, dont les proprits correspondaient trs exacte-
ment celles prvues par D. MENDELEEV (masse voisine de 71 et proprits ana-
logues celles de laluminium), puis celle du germanium par C. WINKLER en 1886
confirmrent la validit de cette classification.
La classification priodique de D. MENDELEEV date de 1869.
Cest le numro atomique Z qui caractrise un lment chimique.
Tous les reprsentants dun lment chimique ont le mme nombre de
protons dans leur noyau.
Au cours des ractions chimiques, les diffrents lments chimiques se
conservent.
Un corps simple est constitu dun seul lment chimique.
-
COURS
Classification priodique des lments
1
La dcouverte des gaz nobles, ou gaz rares, (largon en 1894 par W. RAMSAY et
Lord RALEIGH, puis lhlium, le non, le krypton et le xnon toujours par W. RAMSAY
et le radon en 1900 par F. E. DORN) amena les chimistes et les physiciens rajou-
ter une colonne la classification.
Lexplication rationnelle de la classification de D. MENDELEEV ne fut rendue pos-
sible que par la dcouverte de la charge lectrique du noyau par E. RUTHERFORD en
1910. En 1913, H. MOSELEY corrla le numro atomique des lments et leur place
dans le tableau priodique.
Dautres lments trouvs, tous radioactifs, ont t obtenus par bombardement de
cibles mtalliques, constitues datomes de plus en plus lourds, avec des flux de
particules (neutrons, noyaux dhlium, cations bore, carbone, oxygne, argon, nic-
kel) possdant des nergies de plus en plus grandes grce des acclrateurs
gigantesques (doc. 21).
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ptique,1
re
anne,M
PSI-PCSI-PTSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
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16
Doc. 20 La classification tablie
K
par D. MENDELEEV se prsente
diffremment de celle utilise actuel-
lement.
0
50
100
nombre d'lments
1750 1820 1890 1960 2030
dcouverte
par voie
chimique
dcouverte
par voie
nuclaire
Lavoisier
Doc. 21 volution chronologique
du nombre dlments chimiques
connus Les lments chimiques
connus avant 1925, presque tous
stables, ont t essentiellement
dcouverts par voie chimique. Ceux
mis en vidence au-del, tous radio-
actifs, sont de purs produits de la
Physique nuclaire.
-
rang de la priode 1
er
2
e
3
e
4
e
5
e
6
e
7
e
sous-couches
1s 2s, 2p 3s, 3p
4s, 3d 5s, 4d 6s, 4f 7s, 5f
disponibles 4p 5p 5d, 6p 6d, 7p
nombre
2 8 8 18 18 32 32
dlments
Doc. 23 Nombre maximal dl-
ments chimiques contenus par
priode.
(*) Lhlium He (1s
2
) appartient, malgr
sa place, au bloc s.
Latome daluminium (Z = 13) a pour
configuration lectronique :
[Ne] 3s
2
3p
1
Laluminium appartient la troisime
priode et la premire colonne du bloc
p donc la treizime colonne de la
classification.
Le cadmium appartient la cinquime
priode et la douzime colonne, donc
la dixime colonne du bloc d. Le gaz
noble de la quatrime priode est le kryp-
ton. Do la configuration lectronique
du cadmium :
[Kr] 4d
10
5s
2
Son numro atomique est donc gal
48 (36 + 10 + 2).
Doc. 24 Utilisation de la classifi-
cation.
1
COURS
1
4.3 La classification priodique
4.3.1. Structure du tableau priodique
La classification actuelle se prsente sous la forme dun tableau de sept lignes
numrotes de haut en bas, appeles priodes, et dix-huit colonnes numrotes de
gauche droite (doc. 22, page suivante).
Lhydrogne (1s
1
) et lhlium (1s
2
) occupent la premire ligne.
Une nouvelle priode est utilise chaque fois que la configuration lectro-
nique de latome correspondant llment considr fait intervenir une nou-
velle valeur du nombre quantique principal n.
Pour n > 1, la n-ime priode dbute avec le remplissage de la sous-couche ns et
sachve avec le remplissage de la sous-couche np correspondante. Lorsque cette
configuration est atteinte, la priode est complte, le dernier lment ainsi dcrit
est un gaz noble. Ce gaz noble permet dcrire de faon simplifie les configura-
tions lectroniques des atomes de la priode suivante (cf. 3.6.).
Le nombre total des lments de la n-ime priode dpend des diffrentes sous-
couches disponibles ( raison de deux lments pour la sous-couche ns, de six pour
la sous-couche np, de dix pour la sous-couche (n 1)d et de quatorze pour la sous-
couche (n 2) f ) lorsquelles existent (doc. 23).
Les colonnes sont occupes de telle manire que chacune dentre elles renferme
tous les lments dont les atomes ont la mme configuration lectronique de valence.
Comme ce sont les lectrons de valence qui sont responsables des proprits chi-
miques des lments, une colonne regroupe tous les membres dune mme famille
chimique.
On distingue galement des blocs (doc. 22, page suivante).
Chaque bloc correspond au remplissage dun type de sous-couche :
le bloc s correspond au remplissage des sous-couches s (colonnes 1 et 2)
(*)
;
le bloc p celui des sous-couches p (colonnes 13 18) ;
le bloc d celui des sous-couches d (colonnes 3 12) ;
le bloc f celui des sous-couches f (les deux lignes sous le tableau).
Tout lment chimique, hormis ceux du bloc f, est donc reprable dans le tableau
priodique par la donne de la priode et de la colonne auxquelles il appartient
(doc. 24).
Pour sentraner : ex. 12, 13 et 14
Les atomes des lments chimiques dune mme colonne ont la mme confi-
guration lectronique de valence ; ces lments constituent une famille chi-
mique et ont des proprits chimiques voisines.
Dans le tableau priodique, les lments sont rangs de gauche droite
par ordre croissant de leur numro atomique Z.
H
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La
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non
autorise
est
un
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Classification priodique des lments
K
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Classification priodique des lments
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PSI-PCSI-PTSI
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autorise
est
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11
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e]4
f
3
5d
0
6s
2
[X
e]4f
4
5d
0
6s
2
[X
e]4f
5
5d
0
6s
2
[X
e]4f
6
5d
0
6s
2
[X
e]4f
7
5d
0
6s
2
[X
e]4f
7
5d
1
6s
2
[X
e]4f
9
5d
0
6s
2
[X
e]4f
10
5d
0
6s
2
[X
e]4f
11
5d
0
6s
2
[X
e]4
f
12
5d
0
6s
2
[X
e]4
f
13
5d
0
6s
2
[X
e]4
f
14
5d
0
6s
2
[X
e]4
f
14
5d
1
6s
2
[R
n]6d
2
7s
2
[R
n]5
f
2
6d
1
7s
2
[R
n]5f
3
6d
1
7s
2
[R
n]5f
4
6d
1
7s
2
[R
n]5f
6
6d
0
7s
2
[R
n]5f
7
6d
0
7s
2
[R
n]5f
7
6d
1
7s
2
[R
n]5f
9
6d
0
7s
2
[R
n]5f
10
6d
0
7s
2
[R
n]5f
11
6d
0
7s
2
[R
n]5
f
12
6d
0
7s
2
[R
n]5
f
13
6d
0
7s
2
[R
n]5
f
14
6d
0
7s
2
[R
n]5
f
14
6d
1
7s
2
[R
n]5f
14
6d
10
7s
2
[R
n]5f
14
6d
10
7s
2
7p
1
[R
n]6d
1
7s
2
1 3 11
4 12
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
56
78
91
0
2
13
14
15
16
17
18
55
56
57
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
10
41
05
10
61
07
10
81
09
11
0111
112
11
311
4
Uu
pU
up
Uu
hU
uh
Uu
oU
uo
[R
n]5f
14
6d
10
7s
2
7p
6
[R
n]5f
14
6d
10
7s
2
7p
3
[R
n]5f
14
6d
10
7s
2
7p
4
11
5116
11
8
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Actinides
Doc.22
Les
diffrents
blocs
sont
reprs
par
des
colorations
de
fond
diffrentes.
Tout
lm
ent
est
repr
par
son
num
ro
atom
ique
et
son
sym
bole
chim
ique
crit
en
gras
pour
un
lm
ent
stable
et
en
relief
pour
un
lm
ent
radioactif.
Pour
chaque
lm
ent,la
configuration
lectronique
de
latom
e
ltat
fondam
ental
est
prcise.
Les
lm
ents
dont
le
sym
bole
est
suivi
dune
toile
X*
correspondent
aux
configurations
qui
ne
respectent
pas
la
rgle
de
Klechkow
ski.
-
COURS
Le terme gnrique dlment de
transition dsigne thoriquement tout
lment caractris par un sous-niveau
d ou f partiellement rempli, que ce soit
ltat atomique ou dans un tat
doxydation usuel. Sa configuration
lectronique est donc du type :
(n 1)d
y
(0 < y < 10)
ou (n 2)f
z
(0 < z < 14)
Dans la pratique, cette terminologie est
trs largement rserve aux seuls l-
ments concerns par la sous-couche
(n 1)d.
Le scandium Sc, [Ar] 3d
1
4s
2
est un l-
ment de transition.
Le zinc [Ar] 3d
10
4s
2
, existant aussi
sous-forme Zn
2+
de configuration
[Ar] 3d
10
, nest pas un lment de
transition.
4.3.2. Analyse par priode
Premire priode : H, He
Le nombre quantique principal n = 1 nautorise que la sous-couche 1s, de nombre
quantique secondaire + = 0. La premire priode ne comprend donc que deux
lments : lhydrogne
1
H, de configuration lectronique 1s
1
, et lhlium
2
He,
de configuration lectronique 1s
2
.
Lhydrogne se place dans la case de gauche, bien que ses proprits diffrent
largement de celles des autres membres de la colonne 1 (cf. 4.3.3.). Au vu
de ses proprits, lhlium se place dans la dernire case de cette priode (colonne
18) et non dans la seconde comme linciterait un classement continu par valeurs
croissantes de Z.
Deuxime priode : Li, Be, B, C, N, O, F, Ne
Cette deuxime priode comprend, par suite du remplissage successif des
sous-niveaux 2s (2s
1
pour
3
Li et 2s
2
pour
4
Be) et 2p (de 2s
2
2p
1
pour
5
B
2s
2
2p
6
pour
10
Ne), huit lments, tous de configuration de cur 1s
2
, schmatise
[He] (doc. 22).
Troisime priode : Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar
La situation est rigoureusement analogue pour la troisime priode, avec une confi-
guration de cur [Ne], et une occupation progressive des orbitales 3s (3s
1
pour
11
Na et 3s
2
pour
12
Mg), puis 3p (de 3s
2
3p
1
pour
13
Al 3s
2
3p
6
pour
18
Ar).
Quatrime priode
Le remplissage de la quatrime priode, dont tous les lments prsentent
la configuration de cur [Ar], confirme linversion caractristique des
sous-niveaux 4s et 3d prvue par le principe de construction. Loccupation des
sous-couches interviennent dans lordre suivant : 4s dabord (avec 4s
1
pour
19
K et
4s
2
pour
20
Ca), ensuite 3d de
21
Sc (3d
1
4s
2
)
30
Zn (3d
10
4s
2
) et enfin 4p, de
31
Ga (3d
10
4s
2
4p
1
)
36
Kr (3d
10
4s
2
4p
6
).
La rgle de Klechkowski souffre de deux exceptions lors de loccupation du sous-
niveau 3d (doc. 22) : le chrome et le cuivre prsentent respectivement les configu-
rations de valence 3d
5
4s
1
et 3d
10
4s
1
au lieu des configurations 3d
4
4s
2
et
3d
9
4s
2
attendues. Elles sexpliquent par le fait que les sous-couches satures
ou demi remplies procurent une stabilisation particulire aux configurations
correspondantes.
Cinquime priode
Lvolution au cours de la cinquime priode est analogue celle de la quatrime :
le remplissage commence par lorbitale 5s (avec 5s
1
pour
37
Rb et 5s
2
pour
38
Sr)
et se termine par les orbitales 5p (de
49
In : 4d
10
5s
2
5p
1
54
Xe : 4d
10
5s
2
5p
6
),
avec, entre temps, loccupation des niveaux 4d, de
39
Y (4d
1
5s
2
)
48
Cd
(4d
10
5s
2
).
Les exceptions la rgle de Klechkowski sont ici plus frquentes quau cours de
la priode prcdente, puisquau nombre de six (doc. 22), car les nergies des
orbitales 5s et 4d sont trs proches. Il est difficile de les expliquer toutes en
gnralisant les arguments simples avancs au paragraphe 4.3.2. Cependant, celles
de
42
Mo et de
47
Ag sont respectivement quivalentes celles de
24
Cr et
29
Cu.
H
achette
Livre
H
Prpa
/Chim
ie,1
re
anne,PCSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
19
Classification priodique des lments
1
-
COURS
Classification priodique des lments
1
20
Sixime priode
Le remplissage de la sixime priode prsente une difficult supplmentaire due
la prsence des sept orbitales 4f : le remplissage de lorbitale 6s (
55
Cs et
56
Ba) est
en effet suivi de celui des orbitales 4f et 5d, puis par celui des orbitales 6p (de
81
Tl
86
Rn).
Les exceptions la rgle de Klechkowski sont de plus en plus nombreuses. Les
vingt-trois lments suivant le lanthane correspondent au remplissage de sept orbi-
tales 4f pour les lanthanides (de Ce Lu), puis des cinq orbitales 5d (de Hf Hg).
Septime priode
Enfin, la septime et dernire priode est incomplte puisque, sur les trente-deux
lments quelle est susceptible de contenir, seuls vingt-six ont jusquici t exp-
rimentalement observs. Dans cette priode o les orbitales 7s, 5f (srie des acti-
nides) et 6d peuvent tre occupes, les exceptions la rgle de Klechkowski sont
trs frquentes en dbut de priode en raison de la proximit des niveaux nerg-
tiques 5f et 6d.
La caractristique essentielle de cette priode est que tous les lments de numro
atomique Z > 92 , appels parfois lments transuraniens puisque situs aprs
luranium dans le Tableau priodique, sont radioactifs.
4.3.3. Analyse par colonnes ou familles
La dix-huitime et dernire colonne correspond aux lments dont les atomes
ont une configuration lectronique ltat fondamental de la forme ns
2
np
6
(hormis lhlium 1s
2
). Ce sont les gaz nobles : lhlium He, le non Ne, largon
Ar, le krypton Kr, le xnon Xe et le radon Rn.
La saturation des sous-couches ns et np confre aux atomes de gaz nobles une sta-
bilit particulire. Ces atomes prsentent une grande inertie chimique : quel que
soit leur tat physique, les corps simples correspondants sont monoatomiques et
ne ragissent pratiquement pas avec les autres espces chimiques, mme si on peut
synthtiser quelques difices polyatomiques contenant du xnon ou du krypton.
Dans les conditions usuelles de temprature et de pression, ce sont des gaz.
La premire colonne (on exclut lhydrogne qui correspond un cas trs parti-
culier) regroupe les alcalins (lithium Li, sodium Na, potassium K, rubidium Rb,
csium Cs et francium Fr). La configuration lectronique de valence des atomes cor-
respondants scrit ns
1
. Les corps simples correspondants sont des mtaux
(*)
, dits
mtaux alcalins. Lunique lectron de ces atomes peut facilement tre arrach pour
former un cation isolectronique du gaz noble qui le prcde. Ces cations ont en effet
une stabilit particulire. Les mtaux alcalins sont donc de bons rducteurs (doc. 25).
Ainsi, ils ragissent violemment avec leau froid pour donner des hydroxydes
MOH et un dgagement de dihydrogne (doc. 26).
cristallisoir
eau additionne de quelques
gouttes de phnolphtaline
sodium
plaque de plexiglass
ou de verre perce
de trous daration
(*) Un mtal est un bon conducteur
lectrique et thermique. Sa conductivit
lectrique est une fonction dcroissante
de la temprature.
Un non-mtal est gnralement un mau-
vais conducteur lectrique et sa conduc-
tivit augmente avec la temprature.
M = M
+
+ e
M(s) + H
2
O =
M
+
(aq) + HO
(aq) + H
2
(g)
2 M(s) + O
2
(g) = M
2
O(s)
1
'
2
1
'
2
Doc. 25 Ractivit des mtaux
alcalins.
Doc. 26 Rduction de leau par le
sodium :
Na(s) + H
2
O = Na
+
(aq) + H
2
(g) +HO
(aq)
Du fait de lexothermicit de la
raction, le dihydrogne form
senflamme spontanment. Les ions
hydroxyde forms sont responsables
de la coloration rose de la phnol-
phtaline, initialement incolore.
1
'
2
H
achette
Livre
H
Prpa
/O
ptique,1
re
anne,M
PSI-PCSI-PTSI
La
photocopie
non
autorise
est
un
dlit
K
-
COURS
abondantes fumes
blanches
dichlore
brique
aluminium en
poudre port
l'incandescence
tt
combustion
capsule
en terre
rfractaire
mlange de cristaux de
diiode et daluminium
en poudre
2 gouttes
d'eau
formation de vapeurs violettes de diiode
et dun solide blanc poreux
b)a)
a) b) c)
1 mL
deau
de dichlore
1 mL de solution
de chlorure de fer(II)
Fe
2+
+ 2Cl
1 mL de solution
incolore de
thiosulfate
de sodium :
2Na
+
+ S
2
O
2
3
quelques gouttes
de solution de
thiocyanate de
potassium
K
+
+ SCN
solution brune
de diiode
la solution issue de a)
rougit par formation de
[Fe(SCN)]
2+
Ag
+
(aq) + X
(aq) = AgX(s)
Pb
2+
(aq) + 2 X
(aq) = PbX
2
(s)
(*) Une dfinition thermodynamique plus
prcise sera donne chapitre 15 8.1.1.
Un atome M gazeux est libre de toute
interaction.
Doc. 29 quations des ractions de
prcipitations.
Doc. 27
a) 3 Cl
2
(g) + 2 Al(s) = 2 AlCl
3
(s)
b) 3 I
2
(s) + 2 Al(s) = 2 AlI
3
(s)
Ces expriences sont ralises sous la
hotte cause de la toxicit de ces deux
dihalognes et des produits forms.
Doc. 28
a) Cl
2
+ 2 Fe
2+
= 2 Cl
+ 2 Fe
3+
b) Fe
3+
+ SCN
= [Fe(SCN)]
2+
incolores rouge sang
c) I
2
+ 2 S
2
O
3
2
= 2 I
+ S
4
O
6
2
brun incolore incolores
Caractre oxydant du dichlore : a),
puis b).
Caractre oxydant du diiode : c).
Lavant-dernire colonne, qui est donc la dix-septime, regroupe les halo-
gnes (fluor F, chlore Cl, brome Br et iode I). La configuration des atomes corres-
pondants dans leur tat fondamental scrit : ns
2
np
5
.
Les corps simples correspondants sont constitus de molcules diatomiques : dans
les conditions ordinaires de temprature et de pression, le difluor F
2
et le dichlore
Cl
2
sont gazeux, le dibrome Br
2
est liquide et le diiode I
2
est solide. Les halognes
