Éléments chimiques

Formes d'existence des éléments chimiques

Les éléments chimiques se trouvent rarement à l'état isolé. Dans la nature, ils peuvent exister sous trois formes principales :

• Au sein de substances composées. La plupart des éléments ont tendance à former des composés divers. Par exemple, l'oxygène fait partie intégrante de l'eau, du dioxyde de carbone, du sable, de l'acide sulfurique, des sucres et même de médicaments complexes (tels que l'aspirine).
• Sous forme de corps simples. Certains éléments peuvent exister à l'état libre, formant des molécules composées d'atomes identiques. Des exemples frappants sont le dioxygène gazeux ($O_2$) et l'ozone ($O_3$).
• Gaz rares (inertie chimique). Un groupe unique d'éléments : l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon et le radon. Dans la nature, ils existent exclusivement sous forme d'atomes isolés. On les trouve à l'état de traces dans l'air atmosphérique, dissous dans l'eau ainsi que dans les cavités des réseaux cristallins de divers minéraux.

Isotopes et symboles

Chaque élément chimique possède un symbole, qui consiste en la première ou les deux premières lettres de son nom latin. Il est intéressant de noter que, dans certains cas, ce symbole ne correspond pas du tout phonétiquement au nom français habituel. Par exemple, le fer est désigné par Fe (Ferrum) et le mercure par Hg (Hydrargyrum).

Les éléments chimiques possèdent souvent des variétés d'atomes appelées isotopes. Les isotopes sont des variétés d'atomes d'un même élément qui ne diffèrent entre eux que par leur masse atomique, tout en ayant des propriétés chimiques pratiquement identiques. Le cas classique est celui de l'hydrogène ordinaire (léger) et de l'hydrogène lourd. L'eau contenant de l'hydrogène lourd (« eau lourde ») diffère de l'eau naturelle par ses caractéristiques physiques, mais du point de vue chimique, il s'agit de la même substance.

Abondance dans la croûte terrestre

Les éléments sont répartis de manière extrêmement inégale dans la nature. Les données relatives à la teneur de certains éléments clés dans la croûte terrestre (% en masse) sont présentées ci-dessous :

Loi périodique et variantes de tableaux

Il existe aujourd'hui plusieurs variantes de représentation du tableau périodique en chimie :

1. Version longue. Tous les éléments d'une période sont disposés sur une seule ligne, et les groupes principaux (A) et secondaires (B) forment des colonnes distinctes.
2. Version courte. Les quatrième, cinquième et sixième périodes sont divisées en deux lignes, et les groupes A et B portant les mêmes numéros sont regroupés dans des colonnes communes.
3. Variante de l'UICPA (IUPAC). Recommandée par l'Union internationale de chimie pure et appliquée. Les groupes y sont simplement numérotés de 1 à 18, et le nom de D. I. Mendeleïev est généralement omis dans l'en-tête.

Chaque période du tableau contient exactement 10 métaux de transition. Selon l'idée classique de Mendeleïev, le tableau comporte 8 groupes, le groupe VIIIB comprenant trois métaux de transition de chaque période.

Fonction pronostique et méthode des analogies

Depuis plus de 100 ans, la loi périodique sert de guide principal pour la recherche chimique. Elle réduit considérablement le volume de matière à mémoriser et possède une fonction pronostique : elle permet de prédire les propriétés de substances non encore étudiées sur la base de leurs analogues connus.

Analysons la méthode des analogies en pratique. Supposons que nous devions écrire l'équation de la réaction entre l'hydroxyde de rubidium ($RbOH$) et le séléniure d'hydrogène ($H_2Se$). Les composés de ces éléments peuvent nous être inconnus, nous recherchons donc des analogues par groupe :

• Le rubidium ($Rb$) est l'analogue du sodium ($Na$) et du potassium ($K$), par conséquent $RbOH$ est une base typique (un alcali).
• Le séléniure d'hydrogène ($H_2Se$) est l'analogue du sulfure d'hydrogène ($H_2S$), il manifeste donc des propriétés acides prononcées.
• Résultat — l'équation de la réaction : $2RbOH + H_2Se = Rb_2Se + 2H_2O$.

Il est important de se rappeler que les éléments d'un même groupe sont des analogues, mais non des copies parfaites. En descendant le long d'un groupe, les propriétés varient quantitativement et le caractère métallique s'accentue. Ainsi, dans le groupe IV, le non-métal carbone ($C$) cède la place au métal plomb ($Pb$), et dans le groupe V, l'azote ($N$) cède la place au bismuth. On observe également une analogie intéressante : les composés des métaux de transition et des non-métaux aux degrés d'oxydation supérieurs présentent des similitudes marquées (par exemple, le permanganate de potassium $KMnO_4$ ressemble au perchlorate de potassium $KClO_4$).

Des anomalies surprenantes se produisent parfois. Jusqu'en 1962, les gaz rares étaient considérés comme totalement inertes, avec une valence nulle. Mais le premier composé chimique du xénon a ensuite été synthétisé : l'hexafluoroplatinate de xénon ($XePtF_6$). Aujourd'hui, des dizaines de composés du xénon et du krypton sont connus. Des degrés d'oxydation anormaux et exceptionnellement élevés (+5 et +7) ont également été découverts pour les métaux lourds, permettant d'obtenir les fluorures d'or correspondants.

En bref : réponses aux questions sur le sujet

Questions des cours et des examens

À étudier également sur le sujet

• Détermination de l'élément et de l'isotope à partir de la structure du noyau atomique
• Caractéristique comparative et affinité chimique des éléments au sein d'un même groupe
• Calcul des équivalents chimiques des corps purs simples
• Causes de l'accentuation des propriétés métalliques dans les sous-groupes de haut en bas

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Matériel préparé par les enseignants de WhiteCoat Pro selon le programme d'enseignement des universités médicales. À caractère pédagogique.