Propriétés périodiques CHE0501 : fiche de révision

Q: Pourquoi le rayon atomique diminue-t-il de gauche à droite dans une période ?

Dans une période, les électrons de valence restent sur la même couche, donc à la même distance moyenne du noyau. De gauche à droite, on ajoute un proton à chaque case alors que les électrons de cœur ne changent pas : la charge nucléaire effective augmente et tire davantage la couche de valence vers le noyau. L'atome rétrécit.

Q: Pourquoi l'énergie d'ionisation de l'oxygène est-elle plus faible que celle de l'azote ?

L'azote a trois électrons 2p, chacun seul dans son orbitale. L'oxygène en a quatre : deux d'entre eux partagent la même orbitale et se repoussent. L'électron arraché à l'oxygène est l'un de ces deux électrons appariés ; il part plus facilement, ce qui compense le proton de plus. Le même raisonnement explique le creux entre le phosphore et le soufre.

Q: Comment trouver le groupe d'un élément avec ses énergies d'ionisation successives ?

On calcule le rapport de chaque énergie à la précédente et on cherche le plus grand. Ce saut marque le premier électron arraché au cœur. Le nombre d'électrons retirés avant le saut est le nombre d'électrons de valence : un saut entre la quatrième et la cinquième énergie désigne le groupe 14.

Q: Quelle différence entre affinité électronique et électronégativité ?

L'affinité électronique est une énergie mesurée sur un atome isolé à l'état gazeux qui capte un électron ; le chlore détient le record. L'électronégativité est un nombre sans unité qui décrit l'aptitude d'un atome lié dans une molécule à attirer les électrons de la liaison ; le fluor détient le record. Les deux suivent la même tendance générale, avec des exceptions différentes.

Le fil du chapitre

Une propriété périodique se justifie par deux causes, nommées dans cet ordre : la couche de valence $n$ , qui fixe la distance au noyau, puis la charge nucléaire effective $Z_{\text{eff}}$ , quand $n$ est le même. Une anomalie se lit sur la sous-couche de l'électron en jeu. Réciter la tendance n'est pas justifier.

Notions couvertes

Charge nucléaire effective
Effet d'écran
Rayon atomique
Rayon ionique
Série isoélectronique
Énergie de première ionisation
Énergies d'ionisation successives
Affinité électronique
Électronégativité
Caractère métallique
Tendances périodiques

Le tableau du chapitre

Quatre propriétés, deux causes

Lisez une colonne de haut en bas : le sens de la tendance, puis la cause à écrire, puis l'exception qu'on vous demandera.

Critère	Rayon atomique taille de l'atome	Énergie d'ionisation arracher un électron	Affinité électronique capter un électron	Électronégativité attirer les électrons d'une liaison
Vers la droite d'une période	diminue	augmente globalement	augmente globalement	augmente
Vers le bas d'un groupe	augmente	diminue	diminue en général	diminue
Cause à écrire	couche n d'abord, puis Zeff	même cause : électron loin ou peu attiré, facile à arracher	même cause, plus la sous-couche où l'électron arrive	même cause ; c'est l'atome LIÉ qui compte
Exceptions à connaître	cation plus petit, anion plus gros que l'atome	creux Be-B et N-O (et Mg-Al, P-S)	Cl devant F ; N, Be, Mg voisins de zéro ; gaz nobles négatifs	F maximal ; Ge un peu au-dessus de Si

Rayon atomique taille de l'atome

Vers la droite d'une période: diminue
Vers le bas d'un groupe: augmente
Cause à écrire: couche n d'abord, puis Zeff
Exceptions à connaître: cation plus petit, anion plus gros que l'atome

Énergie d'ionisation arracher un électron

Vers la droite d'une période: augmente globalement
Vers le bas d'un groupe: diminue
Cause à écrire: même cause : électron loin ou peu attiré, facile à arracher
Exceptions à connaître: creux Be-B et N-O (et Mg-Al, P-S)

Affinité électronique capter un électron

Vers la droite d'une période: augmente globalement
Vers le bas d'un groupe: diminue en général
Cause à écrire: même cause, plus la sous-couche où l'électron arrive
Exceptions à connaître: Cl devant F ; N, Be, Mg voisins de zéro ; gaz nobles négatifs

Électronégativité attirer les électrons d'une liaison

Vers la droite d'une période: augmente
Vers le bas d'un groupe: diminue
Cause à écrire: même cause ; c'est l'atome LIÉ qui compte
Exceptions à connaître: F maximal ; Ge un peu au-dessus de Si

Légende : les mots du tableau

Couche n: Le nombre quantique principal de la couche de valence : plus il est grand, plus les électrons de valence sont loin du noyau.
Zeff: La charge nucléaire effective : la charge du noyau diminuée de l'écran des électrons de cœur. Estimation simple : Z moins le nombre d'électrons de cœur.
Sous-couche: Le bloc s, p ou d où se trouve l'électron arraché ou ajouté ; c'est elle qui explique les creux, une 2p étant plus haute qu'une 2s, un électron apparié plus repoussé qu'un célibataire.

Le caractère métallique suit le sens inverse de l'électronégativité : maximal en bas à gauche, minimal en haut à droite.

L'essentiel

Deux causes, dans cet ordre

• La COUCHE de valence $n$ : plus $n$ est grand, plus les électrons de valence sont loin du noyau. Elle décide dans un groupe.
• La CHARGE NUCLÉAIRE EFFECTIVE $Z_{\text{eff}}\approx Z-(\text{électrons de cœur})$ : elle décide quand $n$ est le même, donc dans une période.
• Électrons de cœur : la configuration du gaz noble entre crochets, plus une sous-couche $d$ pleine pour un élément du bloc p (Ge : $[\mathrm{Ar}]\,3d^{10}$ , 28 de cœur).
• L'estimation simple sert à COMPARER : Slater donne 5,20 pour le fluor au lieu de 7, mais l'ordre des éléments est le même.

Na et Cl ont leur valence sur la même couche, n = 3 : la Zeff (1 contre 7) décide, Cl est plus petit. K a une couche de plus : il est plus gros que Na, à Zeff égale.

À l'examen, la phrase qui rapporte le point nomme la cause : « même couche n = 3, Zeff plus grande », jamais seulement « le rayon diminue vers la droite ».

Ce que mesure chaque propriété

• Énergie de première ionisation : $\mathrm{X(g)}\rightarrow\mathrm{X^{+}(g)}+e^{-}$ , atome isolé, un électron, en kJ/mol.
• Énergies successives : $I_{1}<I_{2}<I_{3}<\dots$ toujours ; le grand saut après $I_{k}$ signale $k$ électrons de valence.
• Affinité électronique : énergie libérée par $\mathrm{X(g)}+e^{-}\rightarrow\mathrm{X^{-}(g)}$ . Vérifiez la convention de signe de l'énoncé.
• Électronégativité (Pauling, sans unité) : aptitude d'un atome LIÉ à attirer les électrons de la liaison. Fluor 3,98, le maximum.
• Par atome : diviser par $N_{A}$ . $1086\ \mathrm{kJ/mol}$ donnent $1{,}803\times 10^{-18}\ \mathrm{J}$ , soit $11{,}26\ \mathrm{eV}$ .

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Réciter la tendance au lieu de nommer la cause

la justification entière : 0 sur la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le chlore est plus petit que le sodium parce que le rayon diminue de gauche à droite. »

Ce qu'il faut écrire

« Na et Cl ont leurs électrons de valence sur n = 3 ; la Zeff passe d'environ 1 à 7 : les électrons du chlore sont plus attirés, son rayon est plus petit. »

Pourquoi : La flèche du tableau est la conclusion, pas la raison. La consigne des contrôles est explicite : une réponse non justifiée vaut zéro, et réciter la tendance n'est pas justifier.

2. Comparer deux éléments de périodes différentes par la colonne

1 point par comparaison

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le soufre est plus petit que l'oxygène, puisqu'il a plus de protons. »

Ce qu'il faut écrire

« O a sa valence sur n = 2, S sur n = 3 : le soufre est plus gros (103 contre 73 pm). »

Pourquoi : Plus de protons ne réduit le rayon qu'à couche égale. Entre deux périodes, la couche décide d'abord ; la Zeff ne départage que des atomes de même n.

3. Croire un cation plus gros, ou un anion plus petit, que son atome

1 point en rafale, et le classement qui suit

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Na⁺ est plus gros que Na : il est chargé et garde le même noyau. »

Ce qu'il faut écrire

« Na⁺ a perdu sa couche n = 3 : 102 pm contre 186 pm. Cl⁻ a un électron de plus sur la même couche : 181 pm contre 99 pm. »

À l'échelle : Na⁺ est presque deux fois plus petit que Na, Cl⁻ presque deux fois plus gros que Cl. L'ordre s'inverse : Na est plus gros que Cl, Na⁺ plus petit que Cl⁻.

Pourquoi : Un cation perd des électrons, souvent toute sa couche de valence ; un anion en gagne sans gagner de proton, et la répulsion étale son nuage.

4. Écrire que l'énergie d'ionisation augmente toujours dans une période

1 à 2 points, et souvent une devinette entière

Ce qu'il ne faut pas écrire

« De Li à Ne, l'énergie de première ionisation augmente toujours, donc celle de O dépasse celle de N. »

Ce qu'il faut écrire

« Elle augmente globalement, mais O (1314) est sous N (1402) : l'oxygène perd un électron 2p apparié, repoussé par son partenaire. »

La montée de Li à Ne casse deux fois : de Be à B et de N à O (segments rouges). B et O sont en rouge : ce sont eux qui descendent.

Pourquoi : Les deux creux viennent de la sous-couche : B arrache un 2p plus haut que les 2s de Be ; O arrache un électron apparié. Les devinettes de l'examen sont construites pour les tester.

5. Lire le saut des énergies successives un rang trop loin

toute l'identification, souvent 2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le saut a lieu à I₅, donc l'élément a cinq électrons de valence. »

Ce qu'il faut écrire

« Le saut a lieu ENTRE I₄ et I₅ : I₁ à I₄ ont retiré la valence, l'élément a quatre électrons de valence, groupe 14. »

Pourquoi : Le saut marque le premier électron de cœur. Les électrons de valence sont ceux qui partent AVANT lui.

6. Donner au fluor la plus grande affinité électronique

1 point en rafale, ou une devinette

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le fluor, le plus électronégatif, libère le plus d'énergie en captant un électron. »

Ce qu'il faut écrire

« Le chlore libère le plus : 349 kJ/mol contre 328 pour le fluor, dont la petite couche n = 2 repousse l'électron ajouté. »

Pourquoi : Affinité électronique et électronégativité sont deux grandeurs différentes : l'une se mesure sur l'atome isolé, l'autre décrit l'atome lié.

7. Déclarer de même taille les ions d'une série isoélectronique

le classement entier

Ce qu'il ne faut pas écrire

« S²⁻, Cl⁻, K⁺ et Ca²⁺ ont tous 18 électrons, donc le même rayon. »

Ce qu'il faut écrire

« Mêmes électrons, mais 16, 17, 19 puis 20 protons : S²⁻ > Cl⁻ > K⁺ > Ca²⁺. »

Pourquoi : À nombre d'électrons égal, c'est le nombre de protons qui décide : plus il est grand, plus le même nuage est contracté.

8. Prendre une énergie par mole pour une énergie par atome

2 points de calcul, et la conclusion

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Un photon de $3{,}90\ \mathrm{eV}$ ne suffit pas à ioniser le césium, dont l'énergie d'ionisation vaut 376. »

Ce qu'il faut écrire

« $\frac{376\times 10^{3}\ \mathrm{J/mol}}{6{,}022\times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}}=6{,}24\times 10^{-19}\ \mathrm{J}=3{,}90\ \mathrm{eV}$ par atome : le photon suffit tout juste. »

Pourquoi : Les tables donnent des kJ/mol ; un photon agit sur UN atome. Sans le nombre d'Avogadro, on compare une énergie pour une mole d'atomes à l'énergie d'un seul photon.

Quelle méthode choisir

Quelle cause nommer pour comparer deux espèces

Regardez d'abord où sont les deux espèces dans le tableau, et si ce sont des atomes ou des ions.

Si même groupe → la couche n l'emporte le plus souvent : plus bas, plus gros, ionisation plus faible (sauf derrière une série de transition)

Exemple : K (227 pm) plus gros que Na (186 pm) : n = 4 contre n = 3
Si même période → la Zeff décide, à couche égale

Exemple : Cl (99 pm) plus petit que Na (186 pm) : Zeff 7 contre 1
Si même nombre d'électrons (isoélectroniques) → le nombre de protons décide

Exemple : K⁺ (138 pm) plus petit que Cl⁻ (181 pm) : 19 protons contre 17
Si un atome et son propre ion → couche perdue (cation) ou électron ajouté (anion)

Exemple : Na⁺ 102 pm contre Na 186 pm
Si voisins Be-B, N-O, Mg-Al ou P-S en ionisation → la sous-couche de l'électron arraché

Exemple : N 1402 contre O 1314 kJ/mol
Si ni même groupe, ni même période → conclure seulement si les deux tendances vont dans le même sens

Exemple : F (n = 2, à droite) plus petit que P (n = 3, plus à gauche) : 72 contre 110 pm

si les deux tendances s'opposent (Al et Se, par exemple), on ne conclut pas sans données

Une fois la cause trouvée, elle donne le sens pour les quatre propriétés : un électron loin ou peu attiré veut dire grand rayon, faible ionisation, faible électronégativité.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Justifier une comparaison, au format de l'examen

Quand l'utiliser : « Lequel a la plus grande énergie de première ionisation ? Justifiez. », « Classez par rayon croissant. »

1 Situer chaque espèce : période (donc couche n de valence), groupe, charge s'il s'agit d'un ion.
2 Écrire la configuration de valence quand une sous-couche peut jouer (voisins Be-B, N-O, ions de transition).
3 Nommer la cause qui décide, selon l'arbre : couche, Zeff, nombre de protons ou sous-couche.
4 Conclure dans le sens demandé, avec une valeur de table si l'énoncé en fournit.

Phrase de conclusion

« Na et Cl ont leurs électrons de valence sur la couche n = 3. Le chlore a une charge nucléaire effective plus grande (environ 7 contre 1) : ses électrons de valence sont plus attirés par le noyau. Donc le chlore a la plus grande énergie de première ionisation. »

Le piège : Écrire seulement « Cl est plus à droite » : c'est la position, pas la cause, et la question rapporte zéro.

Barème : Sur 1 point en rafale, à titre indicatif : bonne réponse 0,5, cause nommée 0,5.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

Les sens opposés

Rayon et énergie d'ionisation varient en sens contraire. Si votre classement fait d'un même élément le plus gros ET le plus difficile à ioniser, l'un des deux est faux.

Cs : le plus gros des alcalins et la plus faible ionisation, 376 kJ/mol. Un Cs « plus difficile à ioniser que Na » trahit une erreur.
Les énergies successives croissent toujours

Chaque énergie successive dépasse la précédente. Une suite qui redescend est mal recopiée ou mal calculée.

Phosphore : 1012, 1907, 2914, 4964, 6274, 21267 kJ/mol, toujours en hausse ; seul le rythme change.
L'ordre de grandeur par atome

Une énergie d'ionisation par atome vaut quelques électronvolts, soit environ 10⁻¹⁹ à 10⁻¹⁸ J.

Carbone : 1086 kJ/mol, soit 1,80 × 10⁻¹⁸ J ou 11,3 eV. Un résultat en 10⁶ J signale un nombre d'Avogadro oublié.
Le second indice d'une devinette

Une devinette à deux conditions se vérifie avec la seconde : les deux doivent désigner le même élément.

« Plus grand rayon de la 3e période » donne Na ; « ion isoélectronique du néon » confirme Na⁺. Si la seconde donnait Mg, la première serait fausse.

L'exercice type décortiqué

Identifier un élément par ses énergies d'ionisation successives

Un élément X de la 3e période a pour six premières énergies d'ionisation, en kJ/mol : 1012 ; 1907 ; 2914 ; 4964 ; 6274 ; 21267. Identifier X, justifier, puis expliquer pourquoi la suite croît plus vite entre $I_{3}$ et $I_{4}$ qu'entre $I_{2}$ et $I_{3}$ .

Étape 1

Rapports successifs : $\frac{1907}{1012}=1{,}88$ ; $\frac{2914}{1907}=1{,}53$ ; $\frac{4964}{2914}=1{,}70$ ; $\frac{6274}{4964}=1{,}26$ ; $\frac{21267}{6274}=3{,}39$ .

Pourquoi

Les énergies montent toujours : seul un rapport fait voir où la montée devient brutale. Sur une copie, ce tableau de rapports est la preuve que le correcteur attend.

Étape 2

Le plus grand rapport est $\frac{I_{6}}{I_{5}}=3{,}39$ : le saut a lieu ENTRE $I_{5}$ et $I_{6}$ , donc X a 5 électrons de valence.

Pourquoi

Le sixième électron est le premier électron de cœur ( $2p$ , couche $n=2$ ). On compte les électrons partis AVANT le saut.

Étape 3

Groupe 15 et 3e période : X est le phosphore, $Z=15$ , $[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}3p^{3}$ .

Pourquoi

La période vient de l'énoncé ; sans elle, le saut seul ne départagerait pas N, P et As.

Étape 4

Le petit ressaut de $I_{3}$ à $I_{4}$ ( $1{,}70$ contre $1{,}53$ ) : les trois premiers électrons partent de $3p$ , le quatrième d'une $3s$ , plus basse en énergie.

Pourquoi

Une sous-couche plus basse se voit déjà dans la valence, en plus petit. C'est la même cause que le creux Be-B.

Étape 5

Vérification : $I_{1}(\mathrm{P})=1012<I_{1}(\mathrm{N})=1402\ \mathrm{kJ/mol}$ , attendu pour le même groupe une couche plus bas.

Pourquoi

Un contrôle de cohérence gratuit par l'arbre : même groupe, la couche décide.

Conclusion rédigée

X est le phosphore : saut entre $I_{5}$ et $I_{6}$ (rapport $3{,}39$ ), cinq électrons de valence $3s^{2}3p^{3}$ ; le ressaut à $I_{4}$ marque le passage des électrons $3p$ aux électrons $3s$ .

L'erreur classique sur cet exercice : Lire le saut « à $I_{6}$ » et conclure à six électrons de valence, donc au soufre : c'est le piège du rang, qui fait perdre toute l'identification.

À savoir par cœur

• Deux causes, dans cet ordre : la couche de valence n, puis la charge nucléaire effective.
• $Z_{\text{eff}}\approx Z-(\text{électrons de cœur})$ : 1 pour les alcalins, 7 pour les halogènes.
• Rayon : augmente vers le BAS et vers la GAUCHE ; cation plus petit, anion plus gros que l'atome.
• Énergie d'ionisation et électronégativité : augmentent vers le HAUT et vers la DROITE ; creux Be-B et N-O.
• Saut des énergies successives après $I_{k}$ : $k$ électrons de valence.
• Plus grande affinité électronique : le chlore ; plus grande électronégativité : le fluor.
• kJ/mol vers J par atome : diviser par $N_{A}=6{,}022\times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$ .

Questions fréquentes

Pourquoi le rayon atomique diminue-t-il de gauche à droite dans une période ?

Dans une période, les électrons de valence restent sur la même couche, donc à la même distance moyenne du noyau. De gauche à droite, on ajoute un proton à chaque case alors que les électrons de cœur ne changent pas : la charge nucléaire effective augmente et tire davantage la couche de valence vers le noyau. L'atome rétrécit.

Pourquoi l'énergie d'ionisation de l'oxygène est-elle plus faible que celle de l'azote ?

L'azote a trois électrons 2p, chacun seul dans son orbitale. L'oxygène en a quatre : deux d'entre eux partagent la même orbitale et se repoussent. L'électron arraché à l'oxygène est l'un de ces deux électrons appariés ; il part plus facilement, ce qui compense le proton de plus. Le même raisonnement explique le creux entre le phosphore et le soufre.

Comment trouver le groupe d'un élément avec ses énergies d'ionisation successives ?

On calcule le rapport de chaque énergie à la précédente et on cherche le plus grand. Ce saut marque le premier électron arraché au cœur. Le nombre d'électrons retirés avant le saut est le nombre d'électrons de valence : un saut entre la quatrième et la cinquième énergie désigne le groupe 14.

Quelle différence entre affinité électronique et électronégativité ?

L'affinité électronique est une énergie mesurée sur un atome isolé à l'état gazeux qui capte un électron ; le chlore détient le record. L'électronégativité est un nombre sans unité qui décrit l'aptitude d'un atome lié dans une molécule à attirer les électrons de la liaison ; le fluor détient le record. Les deux suivent la même tendance générale, avec des exceptions différentes.

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Exercices corrigés : Le comportement des atomes : propriétés périodiques

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© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/che0501-proprietes-periodiques. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

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Quatre propriétés, deux causes

Légende : les mots du tableau

L'essentiel

Deux causes, dans cet ordre

Ce que mesure chaque propriété

Les pièges qui coûtent des points

1. Réciter la tendance au lieu de nommer la cause

2. Comparer deux éléments de périodes différentes par la colonne

3. Croire un cation plus gros, ou un anion plus petit, que son atome

4. Écrire que l'énergie d'ionisation augmente toujours dans une période

5. Lire le saut des énergies successives un rang trop loin

6. Donner au fluor la plus grande affinité électronique

7. Déclarer de même taille les ions d'une série isoélectronique

8. Prendre une énergie par mole pour une énergie par atome

Quelle méthode choisir

Quelle cause nommer pour comparer deux espèces

La rédaction attendue

Justifier une comparaison, au format de l'examen

Vérifier avant de rendre

L'exercice type décortiqué

Identifier un élément par ses énergies d'ionisation successives

À savoir par cœur

Questions fréquentes

Pourquoi le rayon atomique diminue-t-il de gauche à droite dans une période ?

Pourquoi l'énergie d'ionisation de l'oxygène est-elle plus faible que celle de l'azote ?

Comment trouver le groupe d'un élément avec ses énergies d'ionisation successives ?

Quelle différence entre affinité électronique et électronégativité ?

Exercices corrigés : Le comportement des atomes : propriétés périodiques

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