Tableau périodique des éléments

vignette|400px|Tableau périodique des éléments au . 400px|vignette|Avec davantage de détails par élément.

Le tableau périodique des éléments, également appelé tableau ou table de Mendeleïev, classification périodique des éléments ou simplement tableau périodique, représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique, laquelle sous-tend leurs propriétés chimiques.

La conception de ce tableau est généralement attribuée au chimiste russe Dmitri Ivanovitch Mendeleïev, qui, en 1869, construisit une table, différente de celle qu'on utilise aujourd'hui, mais semblable dans son principe, dont le grand intérêt était de proposer une classification systématique des éléments connus à l'époque en vue de souligner la périodicité de leurs propriétés chimiques, d'identifier les éléments qui restaient à découvrir, voire de prédire certaines propriétés d'éléments chimiques alors inconnus.

Le tableau périodique a connu de nombreux réajustements depuis lors jusqu'à prendre la forme que nous lui connaissons aujourd'hui. Il est devenu un référentiel universel auquel peuvent être rapportés tous les types de comportements physiques et chimiques des éléments. Depuis la mise à jour de l'UICPA du , sa forme standard comporte ., allant de l'hydrogène H à l'oganesson Og.

Le tableau périodique standard Ce tableau est la représentation la plus usuelle de la classification des éléments chimiques. Certains chimistes ont proposé d'autres façons de classer les éléments, mais celles-ci restent bornées au domaine scientifique.

Parmi les chimiques connus, 83 sont dits primordiaux parce qu'ils possèdent au moins un isotope stable ou suffisamment stable pour être plus ancien que la Terre. Parmi eux, trois sont radioactifs : l'uranium U, le thorium Th et le bismuth Bi ; la radioactivité de ce dernier est cependant si faible qu'elle n'a été mise en évidence qu'en 2003.

vignette|Chaîne de désintégration de l'uranium 238.

existent naturellement dans l'environnement terrestre, mais sont trop radioactifs pour que leurs isotopes présents lors de la formation du Système solaire aient pu subsister jusqu'à nos jours : ils sont formés continuellement par désintégration radioactive d'autres éléments chimiques, principalement de l'uranium et du thorium. C'est par exemple le cas du technétium Tc, le plus léger d'entre eux, qui est un produit de fission de l'uranium, ou encore du plutonium Pu, le plus lourd d'entre eux, qui est considéré comme un radioisotope naturel présent à l'état de traces dans la pechblende, principal minerai d'uranium. La chaîne de désintégration de l'uranium 238, principal isotope naturel de l'uranium, produit ainsi continuellement du protactinium Pa, du thorium Th et Th, du radium Ra, du radon Rn, du polonium Po, Po et Po, du bismuth Bi et Bi, et du plomb Pb, Pb et Pb ; ce dernier est stable.

Les éléments sont dits synthétiques, car ils n'existent pas naturellement dans l'environnement terrestre et sont produits artificiellement dans les réacteurs nucléaires ou expérimentalement en laboratoire. On peut cependant trouver certains d'entre eux dans la nature à la suite d'essais nucléaires atmosphériques ou d'accidents nucléaires, comme c'est le cas, dans certaines zones contaminées, pour l'américium Am, le curium Cm, le berkélium Bk et le californium Cf. Hors de notre planète, ces éléments, ainsi que l'einsteinium Es, sont peut-être produits naturellement par lors d'explosions de supernovae, comme on l'a longtemps pensé de l'isotope Cf, hypothèse cependant réfutée depuis lors ; ils auraient également été détectés dans le spectre de l'étoile de Przybylski.

Parmi les dont l'état standard est connu aux conditions normales de température et de pression ( et ), 90 sont solides, 11 sont gazeux, et seulement deux sont liquides : le brome Br, fondant à , et le mercure Hg, fondant à ; plusieurs éléments solides ont cependant un point de fusion voisin de la température ambiante, par exemple le francium Fr, à , le césium Cs, à , le gallium Ga, à , le rubidium Rb, à , ou encore le phosphore blanc P, à .

Construction du tableau Dans la mesure où les propriétés physico-chimiques des éléments reposent sur leur configuration électronique, cette dernière est sous-jacente à l'agencement du tableau périodique. Ainsi, chaque ligne du tableau, appelée période, correspond à une couche électronique, identifiée par son nombre quantique principal, noté : il existe sept couches électroniques connues à l'état fondamental, donc sept périodes dans le tableau périodique standard, numérotées de 1 à 7. Chaque période est elle-même scindée en un à quatre blocs, qui correspondent aux sous-couches électroniques, identifiées par leur nombre quantique secondaire, noté : il existe quatre types de sous-couches électroniques connues à l'état fondamental, notées s, p, d et f (ces lettres viennent d'abréviations utilisées initialement en spectroscopie). Chacune de ces sous-couches contient respectivement 1, 3, 5 et 7 orbitales atomiques, identifiées par leur nombre quantique magnétique, noté . Enfin, chaque orbitale est occupée par au plus deux électrons, identifiés chacun par leur nombre quantique magnétique de spin, noté .

=0 =3 =2 =1 1s 2s 2p 2p 2p 3s 3p 3p 3p 4s 3d 3d 3d 3d 3d 4p 4p 4p 5s 4d 4d 4d 4d 4d 5p 5p 5p 6s 4f 4f 4f 4f 4f 4f 4f 5d 5d 5d 5d 5d 6p 6p 6p 7s 5f 5f 5f 5f 5f 5f 5f 6d 6d 6d 6d 6d 7p 7p 7p Orbitales par sous-couches constituant les blocs du tableau périodique.

Chaque électron d'un atome est donc décrit par quatre nombres quantiques, qui vérifient les propriétés suivantes : le nombre quantique principal est un nombre entier naturel non nul : ; le nombre quantique azimutal est un nombre entier positif ou nul vérifiant ; le nombre quantique magnétique est un nombre entier vérifiant ; le nombre quantique magnétique de spin vaut ou , les électrons correspondants étant couramment représentés par les symboles ↓ et ↑.

En vertu du principe d'exclusion de Pauli, selon lequel deux fermions (ici, deux électrons) d'un même système (ici, un même atome) ne peuvent partager le même état quantique, les sous-couches électroniques s, p, d et f ne peuvent contenir chacune qu'au plus 2, 6, 10 et 14 électrons respectivement ; dans le tableau périodique, elles matérialisent ainsi le bloc s, le bloc p, le bloc d et le bloc f, contenant respectivement 2, 6, 10 et 14 éléments par période.

Si l'on respecte la construction du tableau par blocs en fonction des configurations électroniques, l'hélium devrait se trouver au-dessus du béryllium dans la , celle dont les atomes ont une sous-couche externe ns, et non au-dessus du néon dans la , dont les atomes ont une sous-couche externe np ; l'hélium est cependant positionné usuellement dans la , car c'est celle des gaz nobles, dont il fait chimiquement partie.

Règle de Klechkowski

Toutes les sous-couches d'une période n'appartiennent pas nécessairement à la même couche électronique : à partir de la , des sous-couches appartenant à des couches différentes se remplissent sur une même période. En effet, la distribution des électrons sur les différents niveaux d'énergie quantiques autour de l'atome obéit au principe dAufbau (« édification » en allemand), selon lequel l'ordre précis des sous-couches électroniques est donné par la règle de Klechkowski : les sous-couches sont remplies afin que les valeurs puis soient croissantes, avec le nombre quantique principal et le nombre quantique azimutal.

C'est la succession des sous-couches électroniques de chaque période qui détermine la structure du tableau périodique en blocs, chaque période étant définie par le retour d'une sous-couche s suivant une sous-couche p de la période précédente, avec un nombre quantique principal incrémenté d'une unité.

Exceptions et règle de Hund La règle de Klechkowski est observée pour plus de 80 % des 103 éléments dont la configuration électronique à l'état fondamental est connue avec précision, mais une vingtaine d'éléments y font exception. L'état fondamental est en effet, par définition, celui dont l'énergie est la plus faible, et le nombre quantique magnétique de spin des électrons entre en jeu pour déterminer cette énergie : plus le spin résultant des électrons d'une orbitale atomique est élevé, plus la configuration de ces électrons sur cette orbitale est stable (règle de Hund). Il s'ensuit que, pour les éléments du bloc d et du bloc f (métaux de transition, lanthanides et actinides), il est énergétiquement moins favorable de suivre la règle de Klechkowski que de favoriser l'occupation impaire des sous-couches les plus externes lorsque la couche d ou f est vide, à moitié remplie ou entièrement remplie, car l'écart d'énergie entre ces sous-couches est inférieur au gain d'énergie induit par la redistribution des électrons de telle sorte que leur nombre quantique magnétique de spin résultant soit le plus élevé — dans le tableau qui suit, les distributions d'électrons irrégulières sont indiquées en gras :

{|class="wikitable" |+ !scope=sol colspan="3" | Élément chimique !scope=col| Famille !scope=col| Configuration électronique |- | style="text-align:right" | 24 | Cr | Chrome | Métal de transition

| style="text-align:right" | 79 | Au | Or | Métal de transition

| 103 | Lr | Lawrencium | Actinide

( * ) Le nickel présente en réalité deux configurations électroniques correspondant à des énergies totales qui se recouvrent. Les manuels notent généralement la configuration régulière , étayée par les données expérimentales, car elle contient le niveau d'énergie le moins élevé. Cependant, c'est la configuration irrégulière qui présente l'énergie moyenne la moins élevée des deux, de sorte que cette configuration est souvent retenue dans les calculs.

Périodicité des propriétés chimiques Le grand intérêt de la classification périodique est d'organiser les éléments chimiques de telle sorte que leurs propriétés physico-chimiques puissent être largement prédites par leur position dans la table. Ces propriétés évoluent différemment selon qu'on se déplace verticalement ou horizontalement dans le tableau.

Périodes et groupes du tableau périodique

Une période désigne une ligne du tableau périodique. Elle se définit par le remplissage progressif des sous-couches électroniques jusqu'à atteindre la sous-couche s de la couche électronique suivante. Les propriétés des éléments varient généralement beaucoup le long d'une période, mais peuvent être localement assez semblables et constituer des familles d'éléments chimiques complètes, notamment dans le bloc d (métaux dits « de transition ») et surtout dans le bloc f (lanthanides sur la et actinides sur la ).

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