\documentclass[10pt,a4paper]{article}

\usepackage{agrphy}

\title{LC16 Classification periodique}
\date{\today}

\begin{document}

\titre{MONNET Benjamin}{}{}{}



\subsection*{Niveau : L1}



\subsection*{Extraits de programmes (MPSI)}
\begin{itemize}
    \item \textbf{Architecture et lecture du tableau périodique}\\
    Relier la position d’un élément dans le tableau périodique à la configuration électronique et au nombre d’électrons de valence de l’atome correspondant.\\ Positionner dans le tableau périodique et reconnaître les métaux et non métaux.\\ Situer dans le tableau les familles suivantes : métaux alcalins et alcalino-terreux, halogènes et gaz nobles.\\
    Citer les éléments des périodes 1 à 3 de la classification et de la colonne des halogènes (nom, symbole, numéro atomique).\\
    \item \textbf{Électronégativité} : Mettre en oeuvre des expériences illustrant le caractère oxydant ou réducteur de certains corps simples.\\ Élaborer ou mettre en oeuvre un protocole permettant de montrer qualitativement l’évolution du caractère oxydant dans une colonne.\\
    Relier le caractère oxydant ou réducteur d’un corps simple à l’électronégativité de l’élément. Comparer l’électronégativité de deux éléments selon leur position dans le tableau périodique.
    \item \textbf{Rayon atomique - Rayon ionique (PCSI)} Interpréter l’évolution du rayon atomique dans la classification périodique en utilisant la notion qualitative de nombre de charge effectif. Interpréter la différence de valeur entre le rayon d’un atome et le rayon de ses ions.
\end{itemize}




\subsection*{Bibliographie}
\begin{tabular}{@{\livre}p{0.48\linewidth} @{\ $\longrightarrow$ \ }p{0.48\linewidth}}
\textit{Nom du bouquin}, \textbf{auteur}\footnotemark  & A quoi ser ce livre ? \\ 
\end{tabular}

\noindent
\begin{minipage}[t]{0.48\linewidth}



\subsection*{Prérequis}
\begin{itemize}[label=\ding{226}]
 \item Structure électronique
 \item Electronégativité
 \item Oxydo-réduction
\end{itemize}
\end{minipage}
\begin{minipage}[t]{0.48\linewidth}
\subsection*{Expériences}
	\begin{itemize}[label=\Coffeecup]
	\item  
	\end{itemize}
\end{minipage}



\tableofcontents
\pagebreak




\section*{Introduction}
Vous avez déjà pu voir la classification mais on peut se demander à quoi elle sert, hormis à lister les éléments.

\transition{On va commencer par un petit exposé historique}

\section{Historique de la classification}
\subsection{Construction de la classification}
La classification a été construite expérimentalement. L'une des données accessible et qui a été utilisée était la masse atomique des composés.
\begin{itemize}
 \item En 1859, Jean-Baptiste Dumas se rend compte qu'il y a une périodicité dans les propriétés chimiques des éléments lorsqu'ils sont triés par masse atomique croissante :  
 
 Fluor = 19 (+16.5), Chlore = 35.5 (+44.5), Brome = 80 (+47), Iode = 127
 
 Magnésium = 24 (+16), Calcium = 40 (+48), Strontium = 88 (+49), Baruym = 137
 
 Ce qui correspond à deux colonnes de la classification que l'on connait aujourd'hui !
 \item William Odling propose de mettre des "casses vides" qui correspondent à des matériaux pas encore découvert
 \item Mendeliev publie en 1869 un premier tableau récapitulant les données expérimentales : c'est la naissance du tableau périodique des éléments
 \begin{center}
 \includegraphics[scale=0.2]{Mendeleev.PNG}
 \end{center}
 Les éléments chimiques sont ordonnés par masse atomique croissante... mais certains ont été réarrangé compte tenu de leurs propriétés : il les a classé par Z croissants sans le savoir ! Les éléments ayant des propriétés chimiques semblables ont soit des numéros atomiques proches, soit ils sont sur une même ligne. Il a posé des éléments inconnus (comme par exemple l'aluminium et le silicium). \textbf{Wikipédia : "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."}
\end{itemize}

\experience{Solubilité de AgX}{JFLM1}{}{
AgI et AgCl dans l'eau : ça précipite vachement vite quand on rajoute le Ag $\rightarrow$ même propriétés pour I et Cl donc même ligne (pour Mendeliev)
}

\subsection{Classification périodique actuelle}

\begin{center}
\includegraphics[scale=0.5]{tableau.JPG}
\end{center}

Les éléments sont classer par nombre de protons croissant. Chaque colonne correspond à une famille avec des réactivités identiques. Les familles à connaitre sont :
\begin{itemize}
 \item \textbf{Colonne 1 :} les alcalins
 \item \textbf{Colonne 2 :} les métaux alcalinos-terreux
 \item \textbf{Colonne 16 :} les chalcogènes
 \item \textbf{Colonne 17 :} les halogènes
 \item \textbf{Colonne 18 :} les gaz nobles
 \item Au milieu : les métaux
\end{itemize}

\begin{center}
\includegraphics[scale=0.15]{tableau2.PNG}
\end{center}

\transition{Mais comment expliquer cette périodicité des propriétés ? On va avoir besoin de regarder à l'échelle de l'atome.}

\section{Construction du tableau périodique à l'aide de la physique quantique}
\subsection{Origine quantique}
Faut-il faire un rappel sur les nombres quantiques ou on le met en pré-requis ?

\subsection{Règle de remplissage}
Pour déterminer les propriétés d'un élément, on s'intéresse à ses électrons car nombre d'électrons = nombre de protons ! Vous savez déjà que les énergies pour un atome sont quantifiés. Pour remplir les différentes couches, on utilise trois règles :
\begin{itemize}
 \item \textbf{Le principe de Pauli :} deux électrons ne peuvent pas avoir les mêmes nombres quantiques. Attention : on rappelle que le spin peut prendre deux valeurs. On peut donc placer 2 électrons par degré de dégénérescence de niveau d'énergie. (faire un schéma)
 \item \textbf{La règle de Klechkowski :}  les niveaux sont remplies par (n+l) croissants et à n égaux, le plus petit n est rempli en premier. \textbf{Attention :} cette règle a en fait des exceptions, mais elle reste néanmoins valable pour les éléments de plus bas Z.
 
 \begin{center}
 \includegraphics[scale=0.6]{Klech.PNG}
 \end{center}
 \item \textbf{La règle de Hund :} l'état le plus stable correspond à l'état où le plus grand nombre d'orbitale est occupé.
\end{itemize}

Prenons un exemple concret :

\begin{center}
\includegraphics[scale=0.8]{azote.PNG}
\end{center}

Ecriture des \textbf{configurations électroniques}.

\textbf{Remarques :}
\begin{itemize}
 \item On appelle \textbf{électrons de valence} les électrons sur les couches de n le plus grand et sur les couches pas complètement remplies. On appelle \textbf{électrons de coeur} les autres électrons. Exemple sur azote.
 \item Pour symboliser le fait que les électrons en (n-1)d sont plus attachés que ceux en ns rempli, on inverse les positions. Pour le Fer par exemple on a $1s^12s^22p^63s^23p^63d^64s^2$ au lieu de $1s^12s^22p^63s^23p^64s^23d^6$
 \item La règle de Klechkowski a des exceptions comme par exemple le chrome (Z=24) où l'on a du $3d^54s^1$
 \item Dans le cas des ions, il suffit de remplir toujours selon les mêmes règles, mais avec moins d'électrons
\end{itemize}

\transition{On voit alors une périodicité apparaitre !!}

\subsection{Lien avec la classification périodique}
En fait, si on regarde bien, on se rend compte que les propriétés chimiques des espèces sont déterminées par leur nombre d'électrons de valence ! Les configurations électroniques sont semblables, au numéro près !

\begin{center}
\includegraphics[scale=0.4]{tableau3.PNG}
\end{center}

La classification périodique proposée à l'époque a donc survécu à la théorie quantique qui l'a tout bonnement expliquée !

\transition{Maintenant que l'on sait que les propriétés chimiques sont reliées au nombre d'électrons de valence, on va pouvoir les prédire !}

\subsection{Rayons atomiques}
Le rayon des orbitales peuvent se mettre sous la forme :

\[
E \propto \frac{n^2}{Z}
\]

On s'attend donc à ce que le rayon diminue de gauche à droite et diminue de bas en haut. Et c'est ce que l'on observe :

\begin{center}
\includegraphics[scale=0.5]{tableau4.PNG}
\end{center}

Le rayon atomique est directement lié à la polarisabilité d'un atome : un atome plus gros à des orbitales plus diffuses et se polarise donc mieux.

\subsection{Electronégativité}
Toujours en se basant sur le tableau, on sait que pour les atomes de la colonne 17, un seul électron supplémentaire leur permet d'être dans un état particulièrement stable. Pour la première colonne, c'est perdre un électron qui est stabiliant. On peut donc introduire deux énergies : l'énergie d'ionisation (s'il est facile d'expulser un électron) et l'affinité électronique (qu'il est facile d'apporter un électron supplémentaire :

\[
X_{(g)} \rightarrow X_{(g)}^+ + e^- ~~EI
X_{(g)} + e^- \rightarrow X_{(g)}^- ~~-EA
\]

Ainsi, pour déterminer la capacité d'un atome à attirer les électrons, on peut utiliser ces deux grandeurs ! C'est ce qu'à fait Mulliken pour proposer son échelle d'électronégativité :

\[
\chi_M= k \frac{EI+EA}{2}~~k=0.317 eV^{-1}
\]

Néanmoins, on utilise pas l'électronégativité de Mulliken mais celle de Pauling mais l'évolution dans le tableau est la même.

\begin{center}
\includegraphics[scale=0.5]{elec.PNG}
\end{center}

\section{Propriétés de quelques familles}
\subsection{Gaz rares}
\livre{Fosset p.128}

Les gaz rares ou gaz nobles constituent la dernière colonne du tableau. Leurs couches électroniques étant déjà remplies, ils sont dans un était très stable et ne réagissent pas conséquent que très peu. 

\subsection{Éléments du bloc s}
Les éléments du bloc s, d'après ce qu'on vient de voir, sont de \textbf{très bon réducteur} et ont une \textbf{électronégativité faible}. Il peuvent former des oxydes.

\manip{\textbf{Mise en avant du caractère réducteur des éléments du bloc s}

On met du sodium dans l'eau et c'est assez violent.
}

La réaction qu'on voit :
\[
2 Na_{(s)}+ 2 H_2O_{(l)} = 2 Na^+_{(aq)}+H_{2(g)}
\]

\subsection{Les halogènes}
Les halogènes sont eux de l'autre côté du tableau : leurs propriétés sont donc opposées. Leur électronégativité est grande et les halogènes sont de très bon oxydant.

\experience{Comparaison du pouvoir oxydant des dihalogènes}{BUP 684 p891}{}{}

\section*{Questions}
\textbf{Abondance des éléments dans l'univers, sur terre ? Formation des éléments ?}

\bigbreak
\textbf{Principes de détermination de masse atomique à cette époque ? }
distillation des gaz, combustion des minerais dans les hauts fourneau en présence de coke...
\bigbreak
\textbf{Savoir définir correctement Ra et faire la différence avec Rc (rayon de covalence)}

\bigbreak
\textbf{Combien d'éléments ont été découverts (donc observés) à notre époque? }
Discussion sur la durée de vie d'un noyau lourd, et lien entre existence de celui ci et technologie permettant d'observer sur des temps très courts (c'est presque philosophique!)
\bigbreak
\textbf{Connaître le théorème de Koopmans}

\bigbreak
\textbf{Pauli, Kelchkowski, Hund à énoncer rigoureusement, exceptions à ces règles ? Pauli non, car c'est un principe.}

\bigbreak
\textbf{Vis tellurique : Qui ? Quand ? Classification actuelle ?}

\bigbreak
\textbf{Def e- de valence ? Règles de remplissage ?}

\bigbreak
\textbf{Def d'un hydrogénoïde ?}

\bigbreak
\textbf{Différence attachement - affinité ?}

\bigbreak
\textbf{Au programme : Caractère oxydant/réducteur des halogènes, alcalins, pourquoi ? évolution dans une colonne ? experiences ?}

\bigbreak
\textbf{Pouvoir ox/red caractérisé par quelle grandeur ?}

\bigbreak
\textbf{Couple redox d'un halogène ? Etat physique de Cl2, Br2, I2 ?}

\bigbreak

\textbf{Évolution de la T d'ébullition dans la colonne des halogènes ? vrai pour toutes les colonnes ? Cas de la colonne de l'eau ?}

\bigbreak

\textbf{Cl2 peut être formé avec de l'eau de javel, formule ?}

\bigbreak

\textbf{Nom des deux premières colonnes ?}

\bigbreak

\textbf{Métaloïdes : propriété ? Semi-conducteurs ? différence entre les oxydes ?}

\section*{Remarques}
\begin{itemize}
 \item
\end{itemize}




\end{document}
