Comment lire le tableau périodique des éléments, case par case

Il trône dans toutes les salles de chimie, et il a laissé à beaucoup d’anciens élèves le souvenir d’une grille indigeste à réciter. C’est dommage, car le tableau périodique n’est pas une liste à mémoriser : c’est une carte. Une fois que l’on sait ce que signifient ses lignes et ses colonnes, on peut prédire, sans rien connaître d’un élément, s’il est un métal ou un gaz, s’il réagit violemment ou reste inerte, avec qui il aime s’associer. Voici comment le lire, case par case, puis comment il est né d’un pari audacieux.

Ce que contient une case

Chaque case correspond à un élément chimique, c’est-à-dire à une sorte d’atome. On y trouve au minimum trois informations. Le symbole, une ou deux lettres : H pour l’hydrogène, O pour l’oxygène, Fe pour le fer (du latin ferrum), Au pour l’or (aurum). Le numéro atomique, noté Z, un nombre entier. Et la masse atomique, un nombre à virgule.

Le numéro atomique est la clé de tout. Il indique le nombre de protons dans le noyau de l’atome, et c’est lui, et lui seul, qui définit l’élément : un atome à 6 protons est du carbone, qu’il soit dans un diamant, une mine de crayon ou votre propre corps ; à 7 protons, c’est de l’azote. Le tableau range simplement les éléments par numéro atomique croissant, de 1 (hydrogène) jusqu’à 118.

La masse atomique, elle, est une moyenne. Un même élément existe sous plusieurs formes, les isotopes, qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons, donc des masses différentes. L’IUPAC, l’Union internationale de chimie pure et appliquée, publie la version de référence du tableau et précise que, pour les éléments sans isotope stable présent dans la nature, on indique entre crochets le nombre de masse de l’isotope le plus durable connu.

Les lignes : combien de couches d’électrons

Le tableau compte sept lignes horizontales, appelées périodes. Autour du noyau, les électrons s’organisent en couches successives, et le numéro de la période indique, pour faire simple, combien de couches l’atome possède. L’hydrogène et l’hélium, sur la première ligne, n’en ont qu’une ; le potassium ou le calcium, sur la quatrième, en ont quatre.

En avançant de gauche à droite sur une ligne, on ajoute un proton et un électron à chaque case. Les propriétés changent alors progressivement : à gauche, des métaux mous et réactifs ; au milieu, des métaux plus durs et plus stables ; à droite, des non-métaux, puis des gaz. La première ligne n’a que deux éléments, car la première couche est vite pleine ; les suivantes s’allongent. Pour ne pas obtenir un tableau démesurément large, deux séries de quinze éléments, les lanthanides et les actinides, sont sorties de la grille et placées en dessous. C’est une convention de mise en page, pas une bizarrerie de la nature.

Les colonnes : des familles qui se ressemblent

C’est la vraie magie du tableau. Les dix-huit colonnes verticales, appelées groupes, rassemblent des éléments qui ont le même nombre d’électrons sur leur couche la plus externe. Or ce sont ces électrons-là qui participent aux réactions chimiques. Deux éléments de la même colonne se comportent donc de façon très semblable, même si l’un est beaucoup plus lourd que l’autre.

Quelques familles à connaître :

• la colonne 1, les métaux alcalins (lithium, sodium, potassium), si réactifs qu’ils réagissent vivement avec l’eau, au point de s’enflammer pour les plus lourds d’entre eux ;
• la colonne 17, les halogènes (fluor, chlore, brome, iode), avides d’un électron et prompts à former des sels avec les alcalins, comme le chlorure de sodium de votre salière ;
• la colonne 18, les gaz nobles (hélium, néon, argon), à la couche externe complète, qui ne réagissent pratiquement avec rien ;
• le grand bloc central, les métaux de transition (fer, cuivre, or, argent), ceux de nos outils, de nos fils électriques et de nos bijoux.

Cette logique éclaire des phénomènes très quotidiens. L’azote et l’oxygène, voisins sur la deuxième ligne, forment à eux deux l’essentiel de l’air, et leurs petites molécules sont la raison pour laquelle le ciel est bleu. Et la plupart des roches, sur Terre comme sur la Lune, sont faites d’oxygène et de silicium liés à des métaux comme l’aluminium, le fer ou le calcium : c’est la lumière du Soleil renvoyée par ces minéraux gris que nous voyons changer de forme au fil des phases de la Lune.

Mendeleïev, ou l’art de laisser des cases vides

En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev n’est pas le premier à chercher un ordre dans les soixante-trois éléments alors connus. Mais il fait un choix audacieux : quand un élément ne « tombe » pas dans la bonne famille, il laisse une case vide plutôt que de forcer le classement. Et il affirme que ces trous correspondent à des éléments pas encore découverts, dont il annonce à l’avance les propriétés.

Sous l’aluminium, il prédit ainsi un « éka-aluminium ». En 1875, le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran découvre un nouveau métal qu’il nomme gallium : ses propriétés correspondent à la prédiction. Le tableau cesse alors d’être un simple rangement pour devenir une théorie, capable de prévoir ce qu’on n’a pas encore vu. C’est la démarche qui fait avancer les sciences depuis l’Antiquité : raisonner, prédire une valeur mesurable, puis aller la vérifier, comme l’avait fait Ératosthène pour découvrir la taille de la Terre ronde avec une simple ombre.

L’histoire de l’hélium est plus étonnante encore : il a été découvert dans le Soleil avant de l’être sur Terre. Lors de l’éclipse totale du 18 août 1868, l’astronome français Pierre Janssen, installé à Guntur, en Inde, observe dans la lumière de l’atmosphère solaire une raie jaune inconnue ; l’Anglais Norman Lockyer la repère de son côté et l’attribue à un élément nouveau, baptisé d’après le mot grec pour Soleil. Il faudra attendre 1895 pour que le chimiste William Ramsay isole ce gaz sur Terre, à partir d’un minerai d’uranium, comme le retrace l’historien de la chimie James Marshall dans sa série consacrée à la redécouverte des éléments.

Un tableau qui continue de grandir

Les derniers éléments ne se trouvent pas dans la nature : ils sont fabriqués en laboratoire, quelques atomes à la fois, et se désintègrent le plus souvent en une fraction de seconde. Le 28 novembre 2016, l’IUPAC a approuvé les noms des éléments 113, 115, 117 et 118 : nihonium, moscovium, tennessine et oganesson. Avec eux, la septième ligne du tableau est complète. Une huitième ligne supposerait de synthétiser l’élément 119 ou 120, ce que plusieurs laboratoires tentent, sans succès confirmé à notre connaissance.

Pour vous approprier le tableau, faites un exercice simple : prenez trois objets autour de vous, une casserole, une pile, une ampoule, et cherchez de quels éléments ils sont faits, puis où ces éléments se situent dans la grille. Vous verrez vite que les objets métalliques viennent tous du bloc central et de la gauche, et que la droite du tableau, celle des gaz et des non-métaux, est surtout celle de l’air que vous respirez. Méfiez-vous seulement d’une confusion fréquente : le numéro de colonne ne donne directement le nombre d’électrons externes que pour les colonnes 1 et 2. De la colonne 13 à la colonne 18, il faut lui retrancher dix (l’hélium faisant exception), et pour les métaux de transition, la règle simple ne s’applique plus.