Classification périodique des éléments chimiques

Classification périodique des éléments chimiques

Introduction : La Classification périodique des éléments est un outil essentiel pour étudier les propriétés chimiques des éléments.Elle rassemble le informations dont on a besoin pour chaque élément et de pévoir son comportement dans des réactions chimiques.

1.La classification périodique des éléments.

1.1. La Classification de Mendeleïev

En 1869 Le chimiste russe Dimitri Mendeleïev propose un tableau dans lequel les différents éléments connus sont classés suivant leur masse mais aussi en fonction des ressemblance entre leur propriétés chimiques.

H (1)	?(8)	? (22)	Cu (63,4)	Ag (108)	Hg (200)
	Be (9,4)	Mg (24)	Zn (65,4)	Cd (112)
	B (11)	Al (27,4)	? (68)	Ur (116)	Au (197 ?)
	C (12)	Si (28)	? (70)	Sn (118)
	N (14)	P (31)	As (75)	Sb (122)	Bi (210 ?)
	O (16)	S (32)	Se (79,4)	Te (128 ?)
	F (19)	Cl (35,5)	Br (80)	I (127)
Li (7)	Na (23)	K(39)	Rb (85,4)	Cs (133)	Tl (204)
		Ca (40)	Sr (87,6)	Ba (137)	Pb (207)

Extrait du tableau de Mendeleïev.Les masses atomiques sont indiqués entre parenthèse

Dans ce tableau, trois éléments sont manquants car alors encore inconnus mais leurs masses atomiques et leurs propriétés sont prévues et annoncées.Entre 1875 et 1886 le gallium, le scandium et le germanium sont découverts. Ils présentent des propriétés très proches de celles prédites par D. Mendeleïev.

1.2. La Classification périodique actuelle

Le tableau de Mendeleïev a servi de base à la construction du tabeau périodique actuel, et qui commporte 118 éléments (Depuis la mise à jour de l'UIPAC* du 28 novembre 2016). Ces éléments sont rangés en 7 lignes et en18 colonnes, par leur numéro atomique Z croissant, de sorte que les éléments d’une meme colonne possèdent le meme nombre d’électrons sur leur couche externe.

* IUPAC :International Union of Pure and Applied Chemistry: organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, créée en 1919 qui s’intéresse aux progrès en chimie, chimie physique, biochimie, etc. C’est l’autorité reconnue pour le développement de règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et la terminologie des éléments chimiques et de leurs dérivés, etc.

Classification simplifée des 18 premiers éléments :

	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	H (Z=1) (K)1							He (Z=2) (K)2
2	Li (Z=3) (K)2(L)1	Be (Z=4) (K)2(L)2	B (Z=5) (K)2(L)3	C (Z=6) (K)2(L)4	N (Z=7) (K)2(L)5	O (Z=8) (K)2(L)6	F (Z=9) (K)2(L)7	Ne (Z=10) (K)2(L)8
3	Na (Z=11) (K)2(L)8(M1	Mg (Z=12) (K)2(L)8(M)2	Al (Z=13) (K)2(L)8(M)3	Si (Z=14) (K)2(L)8(M)4	P (Z=15) (K)2(L)8(M)5	S (Z=16) (K)2(L)8(M)6	Cl(Z=17) (K)2(L)8(M)7	Ar (Z=18) (K)2(L)8(M)1

formule électronique des atomes des éléments des trois premières lignes de la Classification périodique

2.Les familles d’éléments

2.1.La famille des alcalins : Ce sont les éléments de la première colonne à l’exception de l’hydrogène.

Les trois premiers alcalins sont : lithium Li, sodium Na, potassium K.

a.Quelques propriétés chimique : ce sont des métaux mous,ils ne forment pas de molécules.

Ils réagissent epontanément avec le dioxygène de l’air pour former des composés ioniques: Li₂O , Na₂O , K₂O  (oxydes de lithium, sodium et de potassium) 

 le dihydrogène H₂, des ions Li+, Na⁺, K⁺ et d’ions hydroxydes HO^-.

b.Inteprétation :Les atomes alcalins monoatomiques isolés(X) ont un élecron externe.pour obéir à la régle du duet et de l’octet,ils doivent predre cet électron pour former un ion (X⁺).Ils ne forment pas de liasons covalents.

2.2.La famille des hologènes :Ce sont les éléments de la colonne VII du tableau réduit.Les plus courants sont le fluor F, le chlore Cl, le brome BR, l’iode I.

a.Quelques propriétés chimique : Ils existent dans la nature sous forme d’ions monoatomiques : F^-, Cl^-, Br^-, I^-,.Ces ions forment des composées ioniques de formules NaCl, NaF.., AgCl, AgBr.. .On les trouve aussi  sous forme de molécules diatomiques : F₂, Cl₂, Br₂, I₂.

b.Inteprétation : Les atomes halogènes(X) isolés possèdent 7 électrons sur leurs couches externe.pour obéir à la régle de l’octet,ils doivent gagner 1 électron pour former des ions (X-) ou former 1 liaison covalente.

Remarque : un atome d’hlogène porte 3 doublets non liants.

2.3.La famille des gaz nobles : Ce sont les éléments de la 8^ème colonne (du tableau réduit) : les 3 premiers sont l’hélium He, le néon Ne, L’argon Ar. Ils sont plus stables et inertes chimiquement et ne forment pas d’ions ou de molécules (sauf rares exceptions).

 

3.Utilisation de la classification périodique

Chaque élément a des propriétés chimiques comparables à celle du premier élément de de sa colonne.cette régle peut etre appliquée aux familles des alcalins (colonneI)du bérylium (II), du carbone (XIV), de l’azote (XV), de l’oxygène (XVI), des halogènes (XVII) et des gaz nobles (XVIII).

La charge des ions et le nombre des liaisons covalentes formés par les éléments de différentes familles.

 

 

 

 

 

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Equilibre d'un corps solide soumis à 2 forces

 

1.1.Expérience

1.2.Observation

Un solide S( plaque de polystyrène ou carton)  , de poids négligeable, est soumis aux actions simultanées de 2 fils tendus reliés à des dynamomètres.

A l’équilibre, on constate que les files sont dans le prolongement l’un de l’autre et l’indication des dynamomètres sont identiques

1.3. Conclusion: Conditions d’équilibre

2.Force exercée par un ressort

2.1. Expérience

L₀:longueur initiale (à vide) du  ressort.

L: longueur finale du ressort.

∆L=L-L₀ : allongement du ressort.

Le ressort est suspendu à un support fixe.

On mesure sa longueur initiale L₀.

On accroche à son extrémité libre une masse marquée et on mesure sa longueur finale.

On répète les mêmes mesures avec d’autres masses.

2.2.Tension d’un ressort

2.3. Tableau des mesures, L0=10cm

 2.4. La relation entre la tension du ressort et son allongement

a-Tracée de la courbe de  variation de T en fonction de ∆L.

La courbe obtenue est une fonction linéaire (droite passant par l’origine du repère O , son équation s’écrit: T = K . ∆L ( Loi de Hooke) ; Avec K coefficient directeur de la droite.

K caractérise la dureté du ressort, elle s’appelle la raideur du ressort, son unité : N.m⁻¹.

3.1.protocole expérimental :

1. Mesurer le poids P du solide (S) à l’aide du dynamomètre : P=

2. Noter avec précision le volume V1 introduit dans l’éprouvette : V1=

3. Introduire le solide (S) dans l’éprouvette et vérifier qu’il soit complètement immergé. 

Noter avec précision le volume total (eau + solide) V2=

4. En déduire le volume VS du solide : VS 

5. Mesurer alors le poids apparent P’ du solide (S) à l’aide du dynamomètre : P’ =

déduit la valeur de la force de réaction exercée par l’eau sur le solide S:

FA=

6.Calculer le poids du liquide(eau) déplacé et comparer la valeur trouvéeà celle de FA.

Conclure:

Réponses

1.(S) est en équilibre sous l’action de deux forces ;poids et tension du ressort. Les deux forces ont la même intensité:

P=T₁=mg=0,1.10= 1N

C’est l’indication du dynamomètre.

2. V1=80mL

3.  V2=90mL 

4. Le volume d’eau déplacé est égale à:

VS= V2-V1=90-80=10mL

5. P’=T2=0,9N

Le poids apparent du solide est : P’=T2=0,9N

L’intensité de la force exercée par l’eau sur le solide est:

F🇦=T₁-T₂=1-0,9=0,1N

6.Le poids du liquide déplacé est: PF=mF.g=ρF.VF.g=103.10.10-6.10

PF=0,1N

Conclusion: La valeur de la force F🇦 exercée par l’eau est égale à celle poids P de l’eau déplacé. 

4. Force de frottement

4.1. Définition: La force de frottement est une force créée par l’interaction de deux surfaces en contact qui glissent l’une sur l’autre et qui s’oppose au mouvement.
On a deux types de frottements:
Le frottement statique: la force de frottement empêche un objet de se mettre en mouvement.
Le frottement cinétique: la force de frottement  présente lorsqu'un objet est en mouvement sur un autre objet.

4.2.Mise en évidence de la force d’adhérence(frottement statique)

Pour mettre en évidence le frottement entre deux corps, on utilise le dispositif suivant constitué d’un bloc de bois sur une table horizontale.On applique une force tangentielle d’intensité F sur le bloc jusqu’à ce qu’il se mette en mouvement.

4.3.Force de frottement, angle de frottement et coefficient de frottement

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Transferts d’énergie dans un circuit électrique

 

Transferts d’énergie dans un circuit électrique

1.Grandeurs électriques :

1.1.Intensité d’un courant électrique :

                                                I

Un courant électrique est dû à un déplacement « organisé »              
de charges électriques (les électrons libres dans les conducteurs
 métalliques et les ions dans les solutions ioniques).

L'intensité du courant se mesure avec un ampèremètre, branché en série dans la portion du circuit dont on veut mesurer l'intensité.

Par convention, le courant électrique va de la borne positive vers la borne négative, à l'extérieur du générateur.

L'intensité s'exprime en Ampère de symbole A.

1.2.Tension électrique :

AB

                                                                  U_AB

La tension électrique U_AB entre deux points d'un circuit est la différence
 de potentiel électrique entre ces deux points : U_AB = V_A – V_B .                                    

On représente une tension par une flèche dont la pointe indique
le premier indice de la tension et l'origine le deuxième indice.                                                  
 La tension U_AB se mesure avec un voltmètre, branché en dérivation entre les points A et B.

La tension électrique  s'exprime en Volt de symbole V.

1.3.Energie et puissance électriques :

L'énergie électrique reçue par un récepteur ou cédée par un générateur s’exprime : W_e=U.I.∆t

We : Energie (J)

U : Valeur de la tension entre les bornes du dipole (V)

I :Valeur  l'intensité du courant qui traverse le dipole (A)

∆t : Durée de fonctionnement (s)

La puissance électrique P_e est donnée par la relation P_e= U.I  exprimée en watt(W)

La puissance électrique P_e permet d’évaluer la rapidité d’un transfert d’énergie. C’est une caractéristique du récepteur.

2.Effet Joule :

2.1. Définition : L’effet Joule est l’effet thermique associé au passage du courant électrique  dans un conducteur ohmique (ou « résistance »).

 

                                                                     U=R.I

2.2.Puissance disspée par effet Joule : Le conducteur ohmique est un dipôle électrique qui transforme intégralement l’énergie électrique reçue en « énergie thermique ». 

 

Loi d’Ohm : U=R.I                                                                 
                                                                                              

L’énergie électrique dissipée par effet joule est :   W_th=W_J = U.I. ∆t= R I² ∆t

La puissance électrique dissipée par effet joule est :  P_th=P_J = U.I. = R I²

2.3.Utilisation de l’effet Joule :

L’effet Joule peut-être utile (chauffage électrique, fer à repasser, fours, filament d’une lampe, fusibles…) ou peut nuire au fonctionnement des circuits (pertes en lignes, détérioration de certaines composants électroniques sous l’effet d’une augmentation de température…)

 

3.Transferts d’énergie au niveau d’un récepteur.

3.1.Définition : Un récepteur électrique est un appareil qui convertit l’énergie électrique qu’il consomme en d’autres formes d’énergie.

3.2. Exemples :

Récepteur	Energie consommée	Energie fournie	Dipoles passifs
Radiateur	We	Wth
Lampe	We	Wr
		Wth
Moteur	We	Wm	Dipoles actifs
		Wth
Electrolyseur	We	Wch
		Wth

 

3.3. LES RECEPTEURS ACTIFS ( Electrolyseurs et moteurs )

 

a.Loi de fonctionnement d’un récépteur actif : : On modélise la caractéristique d’un moteur (ou électrolyseur) par une droite linéaire ne passant pas par l’origine d’équation U_AB = E’ + r’.I    

r’ : résistance interne du récepteur en ohms (W)    E’ : force contre électromotrice (V)

b. Bilan énergetique

W_e=W_u+W_th

We= U_AB.I.∆t : Energie électrique reçue

Wu=E’.I. ∆t : Energie utile
(mécanique pour le moteur et chimique pour l’électrolyseur)

W_th=r’.I². ∆t :Energie thermique dissipée par effet Joule

c. Rendement :  ρ = W_u/W_e = E’I/U_ABI = E’/U_AB

4.Transfert d'énergie au niveau d'un générateur

4.1.  Définition : Un générateur électrique est un dispositif qui transforme de l'énergie mécanique, chimique ou autre en énergie électrique.

4.2. Exemples

Générateur	Energie consommée	Energie fournie
la pile électrochimique (pile)	énergie chimique :Wch	We : énergie électrique
		Wth : énergie thermique
la génératrice de bicyclette (ou dynamo)	énergie mécanique :Wm	We
		Wth
la photopile	énergie rayonnante :Wr	We
		Wth

 

4.3. Loi de fonctionnement d'un générateur :

U_PN=E – r.I                                                   

U_PN : Tension aux bornes du générateur(V)

E : force électromotrice (V)                                                             

r : résistance interne (Ω)

4.4. Bilan énergétique et rendement  :

W_T=W_e+W_th                                                                  

We=U_PN .I .∆t :  est l'énergie électrique fournie au circuit
par le générateur

Wth= : r.I ² .∆t : est l'énergie dissipée par effet Joule.

W_T= E.I .∆ t : est l'énergie totale( mécanique ou chimique) consommée
 par le générateur pour produire l'énergie électrique.

Rendement du générateur : ρ=We/W_T=U_PN/E=(E-r.I)/E

 4.5.Rendement global d'un circuit simple

Considèrons un circuit électrique simple comportant un gnérateur branché en série avec un électrolyseur:

On définit le rendement de ce circuit par la relation :

On remarque que ρ=ρ_{G .} ρ_E               

ρ_G rendement du générateur  et ρ_E rendement de l’électrolyseur

L'énergie dissipée par effet Joule dans le circuit est PJ=W_th(r)+W_th(r’)=(r + r’).I²

 

 

 

 

 

 

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