Élément chimique : qu’est-ce que c’est, types, propriétés périodiques, exemples

I.​ Définition et structure d’un élément chimique

Un élément chimique est une substance pure composée d’atomes identiques, caractérisée par un nombre d’électrons orbitant autour du noyau.​

Les atomes sont les unités fondamentales des éléments chimiques, formant des molécules lorsqu’ils se combinent.​

Les éléments chimiques participent à des réactions chimiques, impliquant des transformations de leurs structures électroniques et nucléaires.​

A. Les atomes et les molécules

Les atomes sont les briques fondamentales de la matière, composés d’un noyau central entouré d’électrons en mouvement.​ Ils possèdent des propriétés intrinsèques telles que le nombre atomique, définissant l’identité chimique de l’élément, et la masse atomique, reflétant la somme des masses des protons et des neutrons du noyau.​

Les molécules, quant à elles, sont des ensembles d’atomes liés par des forces chimiques, formant des entités stables et discrètes. Les molécules peuvent être formées entre atomes de même élément (molécules homonucléaires) ou entre atomes de différents éléments (molécules hétéronucléaires).​

B.​ Les réactions chimiques

Les réactions chimiques sont des processus au cours desquels des éléments chimiques se combinent ou se séparent pour former de nouveaux produits.​ Ces réactions impliquent des transformations des structures électroniques et nucléaires des atomes ou des molécules impliqués.​

Les réactions chimiques peuvent être classées en différentes catégories, telles que les réactions d’oxydoréduction, les réactions acido-basiques et les réactions de combustion.​ Elles jouent un rôle crucial dans de nombreux processus naturels et industriels, tels que la photosynthèse, la respiration cellulaire et la production de matériaux.​

II.​ Les types d’éléments chimiques

Les éléments chimiques sont classés en différents types, notamment les éléments métalliques, les éléments non métalliques et les métaux de transition, selon leurs propriétés physiques et chimiques.​

A.​ Les éléments métalliques

Les éléments métalliques sont caractérisés par leur capacité à conduire l’électricité et la chaleur, ainsi que leur ductilité et leur malléabilité. Ils ont tendance à perdre des électrons pour former des ions positifs, appelés cations.​ Les éléments métalliques sont généralement situés à gauche et au centre de la table périodique. Ils sont très répandus dans la nature et ont de nombreuses applications industrielles et technologiques.​ Les exemples d’éléments métalliques incluent le cuivre, l’aluminium, le fer et l’or.​ Les éléments métalliques peuvent également être divisés en deux sous-catégories ⁚ les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux, qui présentent des propriétés spécifiques.​

B.​ Les éléments non métalliques

Les éléments non métalliques sont caractérisés par leur incapacité à conduire l’électricité et la chaleur, ainsi que leur rigidité et leur fragilité. Ils ont tendance à gagner des électrons pour former des ions négatifs, appelés anions.​ Les éléments non métalliques sont généralement situés à-right de la table périodique.​ Ils sont également très répandus dans la nature et ont de nombreuses applications industrielles et technologiques.​ Les exemples d’éléments non métalliques incluent l’oxygène, l’azote, le carbone et le phosphore.​ Les éléments non métalliques peuvent également être divisés en deux sous-catégories ⁚ les non-métaux simples et les halogènes, qui présentent des propriétés spécifiques.​

C.​ Les métaux de transition

Les métaux de transition sont un groupe d’éléments métalliques situés dans la partie centrale de la table périodique.​ Ils sont caractérisés par leur capacité à former des ions colorés et à présenter des propriétés catalytiques.​ Les métaux de transition ont tendance à perdre des électrons pour former des ions positifs, appelés cations.​ Ils sont très répandus dans la nature et ont de nombreuses applications industrielles et technologiques. Les exemples de métaux de transition incluent le fer, le cuivre, le zinc et l’argent. Les métaux de transition sont également connus pour leur capacité à former des complexes avec d’autres éléments, ce qui leur permet de jouer un rôle important dans de nombreux processus biologiques et chimiques.​

III.​ La table périodique des éléments

La table périodique est une représentation systématique des éléments chimiques, organisés en fonction de leur numéro atomique et de leurs propriétés périodiques.

A.​ Les groupes du tableau périodique

Les groupes du tableau périodique regroupent les éléments chimiques en fonction de leurs propriétés chimiques similaires.​ Ces groupes, numérotés de 1 à 18, sont divisés en ⁚

• Métaux alcalins (groupe 1) ⁚ très réactifs, ils perdent facilement un électron pour former un ion positif;
• Métaux alcalino-terreux (groupe 2) ⁚ moins réactifs que les métaux alcalins, ils forment des ions positifs;
• Halogènes (groupe 17) ⁚ très réactifs, ils gagnent facilement un électron pour former un ion négatif;
• Gaz nobles (groupe 18) ⁚ très stables٫ ils ne réagissent pas avec les autres éléments.​

B.​ Les familles d’éléments

Les familles d’éléments regroupent les éléments chimiques en fonction de leurs propriétés périodiques similaires. On distingue ⁚

• Famille des métaux de transition ⁚ comprend les éléments du groupe 3 au groupe 12, caractérisés par leur capacité à former des ions de charge variable;
• Famille des lanthanides ⁚ comprend les éléments 57 à 71٫ caractérisés par leurSimilarité de propriétés avec les métaux de transition;
• Famille des actinides ⁚ comprend les éléments 89 à 103, caractérisés par leur radioactivité et leurSimilarité de propriétés avec les lanthanides.

Ces familles d’éléments permettent de mieux comprendre les propriétés périodiques et les réactions chimiques des éléments chimiques.​

IV. Les propriétés des éléments chimiques

Les éléments chimiques possèdent des propriétés physiques, telles que la température de fusion et d’ébullition, et des propriétés chimiques, telles que la réactivité.​

Les propriétés physiques des éléments chimiques comprennent leur état à température ambiante, leur densité et leur conductivité thermique.​

Les propriétés chimiques des éléments chimiques comprennent leur réactivité, leur électronegativité et leur capacité à former des liaisons chimiques.​

A.​ Les propriétés physiques

Les propriétés physiques des éléments chimiques sont des caractéristiques qui définissent leur comportement physique à l’état pur.​ Ces propriétés comprennent ⁚

• l’état à température ambiante, solide, liquide ou gazeux;
• la densité, qui est la masse volumique de l’élément;
• la conductivité thermique, qui mesure la capacité de l’élément à conduire la chaleur;
• la température de fusion et la température d’ébullition, qui sont les températures auxquelles l’élément change d’état;
• la dureté, qui mesure la résistance de l’élément à la déformation.​

Ces propriétés physiques varient grandement d’un élément à l’autre, ce qui permet de les identifier et de les caractériser.​

B. Les propriétés chimiques

Les propriétés chimiques des éléments chimiques sont des caractéristiques qui définissent leur comportement chimique, c’est-à-dire leur capacité à réagir avec d’autres éléments ou molécules.​

• La réactivité, qui mesure la tendance de l’élément à réagir avec d’autres espèces chimiques;
• L’électropositivité, qui définit la tendance de l’élément à perdre des électrons pour former des ions positifs;
• L’électronégativité, qui définit la tendance de l’élément à gagner des électrons pour former des ions négatifs;
• La valence, qui représente le nombre d’électrons que l’élément peut gagner ou perdre pour former des liaisons chimiques.​

Ces propriétés chimiques permettent de prévoir le comportement de l’élément dans différentes réactions chimiques.​

V.​ Identification des éléments chimiques

L’identification des éléments chimiques repose sur deux grandeurs fondamentales ⁚ le numéro atomique et la masse atomique, qui caractérisent chaque élément de manière unique.​

Le numéro atomique définit le nombre de protons dans le noyau de l’atome, déterminant ainsi l’identité de l’élément.

La masse atomique est la somme des masses des protons, des neutrons et des électrons dans l’atome, fournissant une autre caractéristique de l’élément.​

A. Le numéro atomique

Le numéro atomique, noté Z, est une caractéristique fondamentale de chaque élément chimique.​ Il représente le nombre de protons présents dans le noyau de l’atome, qui détermine l’identité de l’élément.​

Ce nombre est unique pour chaque élément et varie de 1 pour l’hydrogène à 118 pour l’oganesson٫ les éléments synthétiques les plus lourds.​

Le numéro atomique permet de classer les éléments dans la table périodique, où ils sont disposés en fonction de leur numéro atomique croissant.​

B.​ La masse atomique

La masse atomique, notée m, est la masse totale d’un atome d’un élément chimique, exprimée en unités de masse atomique (u.​m.​a.​).​

Elle prend en compte la somme des masses des protons, des neutrons et des électrons présents dans l’atome.

La masse atomique est une moyenne pondérée des masses des différents isotopes naturels de l’élément, qui peuvent varier légèrement en fonction de la présence de neutrons supplémentaires.

VI.​ Les isotopes et la radioactivité

Les isotopes sont des variantes d’un élément chimique ayant le même numéro atomique mais des masses atomiques différentes.

La radioactivité est un phénomène où un élément instable émet des rayonnements ionisants pour atteindre une stabilité nucléaire.​

A.​ Les isotopes

Les isotopes sont des variantes d’un élément chimique ayant le même numéro atomique mais des masses atomiques différentes.​ Ils possèdent le même nombre de protons dans leur noyau, mais diffèrent par leur nombre de neutrons.​ Cette variation de neutrons influe sur la masse de l’atome, mais pas sur ses propriétés chimiques.​

Ces différences de masse entraînent des propriétés physiques distinctes, telles que des points de fusion et d’ébullition différents.​ Les isotopes d’un élément sont donc distingués par leur masse atomique, qui est la somme de la masse des protons et des neutrons.​

B.​ La radioactivité

La radioactivité est un phénomène naturel où des éléments chimiques instables perdent de l’énergie en émettant des rayonnements ionisants.​ Cette propriété est caractéristique de certains isotopes qui ont un excès de neutrons ou de protons dans leur noyau.​

Cette instabilité nucléaire conduit à des processus de désintégration, tels que la désintégration α, β ou γ, qui entraînent la transformation de l’isotope en un autre élément chimique.​ La radioactivité est mesurée en fonction de la demi-vie, qui est le temps nécessaire pour que la moitié de l’isotope radioactif se désintègre.​

VII.​ Exemples d’éléments chimiques

Les éléments chimiques couramment rencontrés incluent l’oxygène, le carbone, l’hydrogène et l’azote, présents dans l’air, l’eau et les êtres vivants.​

Les éléments rares, tels que le rhenium et le rhodium, sont utilisés dans des applications spécifiques, comme la fabrication de pièces de moteur et de catalyseurs.

A.​ Les éléments du quotidien

Les éléments chimiques du quotidien sont omniprésents dans notre environnement et notre vie quotidienne.​ L’oxygène (O₂) est essentiel pour la respiration, tandis que le carbone (C) est le constituant principal des molécules organiques, telles que les sucres, les graisses et les protéines.​ L’hydrogène (H₂) est un composant clé de l’eau (H₂O) et des combustibles fossiles.​ L’azote (N₂) est un gaz inerte qui représente environ 78% de l’atmosphère terrestre.​ Ces éléments sont souvent combinés pour former des molécules complexes, mais ils peuvent également être trouvés sous forme élémentaire, comme l’oxygène gazeux ou le carbone graphitique.

B.​ Les éléments rares

Les éléments rares sont des éléments chimiques qui sont peu abondants dans la croûte terrestre ou difficiles à extraire de leurs minerais.​ Les lanthanides, tels que le néodyme (Nd) et le praseodyme (Pr), sont des exemples d’éléments rares utilisés dans les magnéto-résistances et les lasers.​ Les actinides, tels que l’uranium (U) et le plutonium (Pu), sont des éléments radioactifs utilisés dans les applications nucléaires.​ Les métaux de terre rare, tels que le scandium (Sc) et le ytrium (Y), sont utilisés dans les alliages et les verres spéciaux.​ Ces éléments rares possèdent des propriétés chimiques et physiques uniques qui les rendent précieux pour des applications spécifiques.