classification périodique

Dans la classification périodique, les gaz rares, le plus souvent non réactifs (valence = 0), sont situés entre des métaux très réactifs et des non-métaux de réactivité élevée. Ces éléments ont respectivement une valence de + 1 et de - 1 dans les composés qu'ils forment. Cette caractéristique conduisit à la théorie suivante : la périodicité des propriétés s'explique par l'arrangement des électrons en couches autour du noyau atomique. D'après la même théorie, les gaz rares sont inertes, car leurs couches électroniques sont saturées. Par conséquent, d'autres éléments ont certaines de leurs couches électroniques incomplètes et leur réactivité chimique dépend des électrons de ces couches. Ainsi, dans la classification périodique, tous les éléments précédant un gaz inerte doivent capter un électron pour compléter leur dernière couche électronique : ces éléments ont donc une valence de - 1 dans les composés qu'ils forment, car ils gagnent alors un électron. Les éléments situés après le groupe des gaz rares ont un électron en excès. Ils ont donc tendance à perdre cet électron lors des réactions chimiques, et ont alors une valence de + 1 dans les composés formés.

Une étude de la classification périodique basée sur cette théorie montre que la première couche électronique peut contenir jusqu'à 2 électrons, que la seconde couche contient un maximum de 8 électrons, que la troisième sature à 18 électrons, etc. Le nombre total d'éléments d'une période est le nombre d'électrons nécessaires pour parvenir à une configuration stable. La distinction entre les sous-groupes a et b d'un groupe peut également s'expliquer par la théorie de la couche atomique. Les couches de valence des deux sous-groupes ont le même degré d'insaturation. Les sous-groupes diffèrent cependant par les structures des couches inférieures. Ce modèle de l'atome donne encore aujourd'hui une bonne explication de la liaison chimique.

Le développement de la théorie quantique et son application à la structure atomique par le physicien danois Niels Bohr et d'autres scientifiques a permis d'expliquer totalement la plupart des caractéristiques de la classification périodique. Chaque électron est caractérisé par quatre nombres quantiques définissant son mouvement autour de l'atome. D'après le principe d'exclusion de Wolfgang Pauli, deux électrons du même atome ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques égaux deux à deux. En utilisant ce principe et les règles de sélection régissant les nombres quantiques, les physiciens peuvent déterminer théoriquement le nombre maximal d'électrons nécessaires pour compléter chaque couche. Les scientifiques ont ainsi confirmé les conclusions déduites de la classification périodique.

Des études ultérieures sur la théorie quantique ont expliqué pourquoi certains éléments possèdent une seule couche électronique incomplète (couche de valence ou couche périphérique), alors que d'autres ont également des couches inférieures incomplètes. Dans cette dernière catégorie on trouve la famille des métaux des terres rares. Ces 15 éléments ont des propriétés tellement proches que Mendeleïev leur avait réservé une seule case dans sa table. Ce groupe contient la série des lanthanides.

L'application de la théorie quantique de la structure atomique à la classification périodique a conduit à repenser le tableau périodique : la forme développée du tableau est apparue. Dans ce tableau, chaque période correspond à la construction d'une nouvelle couche électronique. Les éléments appartenant à une même rangée ont des structures électroniques analogues. Le début ou la fin d'une longue période correspond à l'addition d'électrons dans la couche de valence. Dans la partie centrale, le nombre d'électrons augmente dans une couche inférieure.

La classification périodique met en relation de nombreuses propriétés différentes des éléments comprenant des propriétés physiques, telles que les points de fusion et d'ébullition, les densités, les structures cristallines, la dureté, la conductivité électrique, la capacité calorifique et la conductivité thermique, ainsi que des propriétés chimiques telles que la réactivité, l'acidité ou la basicité, la valence, la polarité et la solubilité.

Voir aussi Éléments chimiques ; Isotopes.