Le tableau périodique : un classement qui prédit

Vous savez écrire une configuration électronique. Le tableau périodique des éléments classe les éléments par numéro atomique ; les configurations expliquent une grande partie de sa structure. Nous étudions ici les 18 premiers éléments, à partir des atomes neutres dans leur état fondamental.

Le classement général est par numéro atomique croissant. Pour les trois premières périodes étudiées ici, le retour à la ligne peut se lire ainsi :

Les éléments sont rangés par numéro atomique $Z$ croissant, de gauche à droite et de haut en bas, et l'on revient à la ligne chaque fois qu'une nouvelle couche électronique commence à se remplir.

Ce retour à la ligne donne au tableau sa structure :

• une ligne du tableau s'appelle une période. Dans ce périmètre, tous les éléments d'une même période ont le même numéro de couche externe occupée : le numéro de la période est le numéro $n$ de cette couche. Première période : hydrogène et hélium (couche $n = 1$) ; deuxième période : du lithium au néon (couche $n = 2$) ; troisième période : du sodium à l'argon (couche $n = 3$) ;
• parmi les 18 premiers éléments, une colonne rassemble des configurations externes analogues et le même nombre d'électrons de valence, sauf l'hélium : il en possède deux, contre huit pour Ne et Ar en colonne18. Le tableau complet compte 18 colonnes, numérotées de 1 à 18.

La conséquence fait toute la puissance du tableau : les propriétés chimiques d'un atome dépendant de ses électrons de valence, les éléments d'une même colonne ont des propriétés chimiques voisines. La leçon suivante donnera des noms à ces colonnes remarquables — les familles chimiques.

Une précision de vocabulaire : chaque case du tableau porte un élément (défini par son $Z$, comme on l'a vu avec les isotopes), pas un atome particulier. Le carbone 12 et le carbone 14 occupent la même case.

Cette leçon entraîne à retrouver la position d'un élément ($Z \leqslant 18$) à partir de sa configuration électronique dans le cadre des configurations fondamentales étudiées, sans exiger ici la mémorisation du tableau entier. Deux lectures suffisent.

Le numéro de période est le plus grand numéro de couche $n$ qui apparaît dans la configuration. Pour le phosphore, $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{3}$ : la couche $n = 3$ est occupée, l'élément est en période 3.

Le numéro de colonne se déduit du nombre $v$ d'électrons de valence :

• si la couche externe ne contient qu'une sous-couche $s$ ($v \leqslant 2$) : l'élément est dans la colonne $v$ (colonnes 1 et 2, dites du bloc s) ;
• si la couche externe contient une sous-couche $p$ : l'élément est dans la colonne $10 + v$ (colonnes 13 à 18, dites du bloc p ; les colonnes 3 à 12, vides sur les trois premières périodes, sont réservées à des éléments étudiés plus tard).

Pour le phosphore : $v = 2 + 3 = 5$ électrons de valence, couche externe avec une sous-couche $p$, donc colonne $10 + 5 = 15$.

L'exception à connaître : l'hélium. Sa configuration est $1s^{2}$, soit 2 électrons de valence ; la règle du bloc s le placerait colonne 2. Il est pourtant rangé colonne 18, avec les gaz nobles, parce que sa sous-couche1s est remplie : le classement privilégie la parenté chimique (inertie des gaz nobles) sur le simple décompte. L'hydrogène, à l'inverse, occupe la colonne 1 par sa configuration $1s^{1}$, mais nous verrons qu'il n'en partage pas les propriétés.

Limite du modèle. Le classement général est défini par le numéro atomique. Nos règles de lecture ne doivent pas être étendues telles quelles aux blocs d et f : l'ordre de remplissage et le décompte des électrons de valence y demandent davantage de précisions.

Situer l'aluminium ($Z = 13$) dans le tableau périodique.

1. Configuration électronique. L'atome neutre possède 13 électrons :

Contrôle : $2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13 = Z$.

2. Période. La couche occupée de plus grand numéro est $n = 3$ : l'aluminium est en période 3.

3. Colonne. Électrons de valence : $v = 2 + 1 = 3$ (sous-couches $3s$ et $3p$). La couche externe comporte une sous-couche $p$, donc colonne $10 + v = 10 + 3 =$ colonne 13.

Le raisonnement inverse — de la position vers la configuration — fonctionne aussi. Quel élément occupe la période 2, colonne 16 ?

1. Période 2 : la couche externe est $n = 2$. 2. Colonne 16, bloc p : $v = 16 - 10 = 6$ électrons de valence, répartis $2s^{2}\,2p^{4}$. 3. La configuration complète est $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{4}$, soit $Z = 2 + 2 + 4 = 8$ : c'est l'oxygène.

4. Lecture chimique. Le soufre, situé juste sous l'oxygène (période 3, colonne 16, $v = 6$ lui aussi), a des propriétés chimiques voisines : même nombre d'électrons de valence, même chimie d'ensemble. C'est cette lecture verticale que la prochaine leçon systématise.

La figure présente les trois premières périodes et les colonnes1,2 et13 à18. L'espace central rétréci représente les colonnes3 à12, inoccupées sur ces trois périodes. Chaque case donne le symbole, le numéro atomique et les électrons de valence.

Lisez les lignes : H et He appartiennent à la période1 ; Li à Ne à la période2 ; Na à Ar à la période3. La flèche sous la troisième ligne suit les numéros atomiques croissants.

Lisez ensuite les colonnes et les deux renvois. He est en colonne18 mais possède deux électrons de valence : son cartouche empêche de confondre sa configuration avec celle de Ne ou Ar. H est en colonne1 sans avoir toute la chimie des alcalins. Le trajet de remplissage inférieur relie les périodes aux sous-couches étudiées ; il ne représente pas des orbites spatiales.