Démystification de l’atome, début de l’atomistique

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Cet article est une introduction aux éléments de la classification périodique des éléments (ou tableau périodique des éléments).


Tableau périodique
des éléments

La chimie « commence » dans les étoiles, sources des atomes actuellement connus. La théorie du big-bang, décrit la naissance de l’Univers, il y a 13,7 milliards d’années. Trois minutes après le big bang l’Univers est dense et chaud, très chaud…il a une température incroyable de 1,1 milliards de degrés. Cet Univers est rempli de photons dont l’énergie est proportionnelle à leur température. Les premiers éléments de matière, électrons, neutrinos, quarks sont crées pendant la période d’inflation de l’Univers (baryogénèse). Les quarks vont ensuite donner naissance aux nucléons (protons, neutrons). La nucléosynthèse primordiale est la période qui a lieu une centaine de secondes après le Big Bang, et au cours de laquelle les premiers noyaux les premiers éléments, hydrogène et hélium apparaissent suite à des réactions de fusion nucléaire. L’hydrogène et l’hélium représentent respectivement 76% et 23% de la masse de l’univers. Les noyaux plus lourds ne constituent que 1% de la masse de l’univers.

bigbang-histoire

À l’intérieur d’une étoile règne une chaleur extrêmement élevée (2×107 °C) où les atomes d’hydrogène se heurtent violemment et fusionnent, formant ainsi de nouveaux atomes de masse plus lourde. L’hélium qui est l’élément le plus abondant de l’espace interstellaire constitue la source principale d’énergie lors des réactions de fusion. L’atome de carbone est formé par la fusion de 3 atomes d’hélium, l’oxygène par 4. Ces éléments vont ensuite s’associer pour donner des substances plus complexes tels que le méthane, l’eau… Dans les étoiles, la température est si grande que les éléments sont tous gazeux. Cependant, la matière expulsée par les étoiles se refroidie peu à peu et peut éventuellement se condenser sous forme solide : ce phénomène est à l’origine des planètes il y a environ 10 milliards d’années.

Tous les atomes présents sur terre ont donc cet âge, y compris ceux qui constituent le corps humain… (Tableau 4).

La croûte terrestre est constituée principalement d’oxygène (49,1% en masse), de silicium (26,1%), d’aluminium (7,5%), de fer (4,7%) (Tableau 5).

Les millions (5 à 7 millions) de produits chimiques connus à ce jour sont composés d’une centaine d’éléments. Sur cette centaine d’éléments connus actuellement certains sont très rares. La plupart sont naturels, seuls quelques-uns ont une origine artificielle. La quasi-totalité (99,99%) des substances connus est constituée de seulement 40 éléments.

Tableau 4. Composition en éléments du corps humain. Tableau 5. Composition en éléments de la surface de la terre (croûte, océans, atmosphère)

Tableau 4. Composition en éléments du corps humain. Tableau 5. Composition en éléments de la surface de la terre (croûte, océans, atmosphère)

Dans la croute terrestre, l’oxygène et le silicium sont les éléments les plus courants ; ce sont les constituants principaux du sable, de la terre et des roches. L’oxygène est présent en tant qu’élément libre dans l’atmosphère et sous forme combinée avec l’hydrogène dans l’eau. On remarquera à nouveau que 10 éléments seulement constituent plus de 99,8% de la masse totale du corps humain. Étant donné que près de 70% de la masse corporelle est de l’eau, une très large part de cette masse est représentée par l’oxygène.

Vous pouvez télécharger la classification périodique des éléments ici : periodic-table

Le tableau périodique des éléments tel que nous le connaissons aujourd’hui dérive directement de celle proposée par Mendeleiv (chimiste russe, 1834-1907) en 1869. Les éléments sont classés par ordre de leur numéro atomique. Le tableau périodique des éléments comporte des colonnes ou groupes (lecture verticale) et des lignes ou périodes (lecture horizontale).

Vous trouverez un tableau périodique des éléments interactifs en cliquant ici. Vous y trouverez toutes les propriétés des éléments avec des photos et des vidéos très instructives.

Les colonnes sont désignées soit par les chiffres de 1 à 18 soit par les symboles IA, IIA, IIB…

Les lignes sont numérotés de 1 à 7.

Les éléments du groupe I ont des propriétés physico-chimiques similaires tout en présentant une variation progressive lorsque l’on se déplace dans la colonne.

Groupe IA : Métaux alcalins

Groupe IIA : Métaux alcalino-terreux

Groupe B  : Métaux de transition

Groupe VIA : Chalcogènes

Groupe VIIA : Halogènes

Groupe VIIIA : Gaz nobles (rares)

Les métaux

Les métaux possèdent un éclat métallique et sont de bons conducteurs de la chaleur et de l’électricité. Ils sont également malléables, i.e. qu’ils peuvent être réduits en feuille minces par martelage, ou par passage dans un laminoir, et ductiles, i.e. qu’on peut les  étirer, les allonger sous forme de fils. Près de ¾ des éléments sont des métaux. Tous les métaux, mis à part le mercure, sont des solides à température ambiante.

Les non-métaux

Au contraire les non-métaux ont une apparence variable. Plus de la moitié d’entres eux sont des gaz à la température ordinaire, les autres sont solides, excepté le brome qui est un liquide corrosif rouge-brun. Les non-métaux sont de mauvais conducteurs de la chaleur et de l’électricité. Ils ne sont ni malléables, ni ductiles et ne présentent pas d’éclat particulier.

Les métaux de transition

Les métaux de transition occupent toute la zone du tableau périodique des éléments où se produit la transition entre le caractère métallique et non métallique des groupes principaux. La plupart d’entre eux sont bien connus, comme le Fe, Ni, Cr, Cu, W, Ti qui entrent dans la plupart des alliages courant qui constituent notre quotidien. Les métaux précieux Au, Pt, Ag, servent de devises fortes, de matériaux de joallerie et dans les circuit électronique haute performance. L’abondance naturelle de ces métaux est très variable. Le fer et le titane sont omniprésents, tandis que le rhénium et le hafnium par exemples sont très rares. Les propriétés physiques de ces métaux de transition varient d’un groupe à l’autre. Tous se caractérisent toutefois par une masse volumique importante et un point de fusion élevé. Bon nombre d’entre eux sont colorés.

Les métaux de transition interne

Les métaux de transition internessont les éléments de la série des lanthanides (ou terres rares) et des actinides. Les éléments de chacune de ces deux séries sont doués de propriétés chimiques remarquablement similaires. Les actinides sont des éléments radioactifs dont la plupart ne se rencontrent pas à l’état naturel mais sont produits au cours de réactions nucléaires.

Tableau 6. Comparaison entre les propriétés physiques des métaux, semi-métaux et des non-métaux.

Tableau 6. Comparaison entre les propriétés physiques des métaux, semi-métaux et des non-métaux.

2 réflexions au sujet de « Démystification de l’atome, début de l’atomistique »

  1. Ping : Si on se fie à la transhumance du carbone, les filles naissent bien dans les roses et les hommes dans les choux et vice-versa | Essaie donc !

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