Tableau périodique des éléments - Définition

Construction du tableau

Dans la mesure où les propriétés physicochimiques des éléments reposent sur leur configuration électronique, cette dernière est sous-jacente à l'agencement du tableau périodique. Ainsi, chaque ligne du tableau (appelée période) correspond à une couche électronique, identifiée par son nombre quantique principal, noté n : il y a sept couches électroniques connues à l'état fondamental, donc sept périodes dans le tableau périodique standard, numérotées de 1 à 7. Chaque période est elle-même scindée en un nombre variable de blocs, qui correspondent aux orbitales atomiques, identifiées par leur nombre quantique secondaire, noté l : il y a quatre types d'orbitales atomiques connues à l'état fondamental, notées s, p, d et f (ces lettres viennent d'abréviations utilisées initialement en spectroscopie) et pouvant contenir chacune respectivement 2, 6, 10 et 14 électrons ; c'est la raison pour laquelle on parle de bloc s, bloc p, bloc d et bloc f.

Si l'on respecte la construction du tableau par blocs en fonction des orbitales atomiques, l'hélium doit se trouver au-dessus du béryllium dans la colonne 2 (celle dont les atomes ont une sous-couche externe ns²) et non au-dessus du néon dans la colonne 18 (dont les atomes ont une sous-couche externe np⁶), comme c'est le cas dans la petite table ci-contre ; l'hélium est positionné usuellement dans la colonne 18 car c'est celle des gaz rares, dont il fait chimiquement partie.

Règle de Klechkowski

Toutes les sous-couches d'une période n'appartiennent pas forcément à la même couche électronique (c'est le cas à partir de la quatrième période) : à partir de la troisième couche électronique, les sous-couches d'une même couche sont en effet réparties sur plusieurs périodes ; les électrons se distribuent en fait sur les différents niveaux d'énergie quantiques autour de l'atome selon un principe d'Aufbau (c'est-à-dire « construction » en allemand) dans des sous-couches électroniques dont l'ordre précis est donné par la règle de Klechkowski :

Sous-couche 1s	1 case quantique → 2 électrons	→ 2 éléments sur la 1ère période
Sous-couche 2s	1 case quantique → 2 électrons
Sous-couche 2p	3 cases quantiques → 6 électrons	→ 8 éléments sur la 2ème période
Sous-couche 3s	1 case quantique → 2 électrons
Sous-couche 3p	3 cases quantiques → 6 électrons	→ 8 éléments sur la 3ème période
Sous-couche 4s	1 case quantique → 2 électrons
Sous-couche 3d	5 cases quantiques → 10 électrons
Sous-couche 4p	3 cases quantiques → 6 électrons	→ 18 éléments sur la 4ème période
Sous-couche 5s	1 case quantique → 2 électrons
Sous-couche 4d	5 cases quantiques → 10 électrons
Sous-couche 5p	3 cases quantiques → 6 électrons	→ 18 éléments sur la 5ème période
Sous-couche 6s	1 case quantique → 2 électrons
Sous-couche 4f	7 cases quantiques → 14 électrons
Sous-couche 5d	5 cases quantiques → 10 électrons
Sous-couche 6p	3 cases quantiques → 6 électrons	→ 32 éléments sur la 6ème période
Sous-couche 7s	1 case quantique → 2 électrons
Sous-couche 5f	7 cases quantiques → 14 électrons
Sous-couche 6d	5 cases quantiques → 10 électrons
Sous-couche 7p	3 cases quantiques → 6 électrons	→ 32 éléments sur la 7ème période

C'est la succession des sous-couches électroniques de chaque période qui détermine la structure du tableau périodique, chaque période étant définie par le retour d'une sous-couche s suivant une sous-couche p de la période précédente.

Exceptions et règle de Hund

La règle de Klechkowski est observée pour plus de 80 % des 103 éléments dont la configuration électronique à l'état fondamental est connue avec précision, mais une vingtaine d'éléments y font exception. L'état fondamental est en effet par définition celui dont l'énergie est la plus faible, et le spin des électrons entre en jeu pour déterminer cette énergie : plus le spin résultant des électrons d'une orbitale atomique est élevé, plus stable est la configuration de ces électrons sur cette orbitale (règle de Hund). Il s'ensuit que, pour les éléments du bloc d et du bloc f (métaux de transition, lanthanides et actinides), il est énergétiquement moins favorable de suivre la règle de Klechkowski que de favoriser l'occupation impaire des sous-couches les plus externes lorsque la couche d ou f est vide, à moitié remplie ou entièrement remplie, car l'écart d'énergie entre ces sous-couches est inférieur au gain d'énergie induit par la redistribution des électrons maximisant leur spin résultant (dans le tableau qui suit, les électrons de cœur sont en gris) :

Élément chimique			Série chimique	Configuration électronique
no 24	Cr	Chrome	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
no 29	Cu	Cuivre	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
no 41	Nb	Niobium	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d4
no 42	Mo	Molybdène	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d5
no 44	Ru	Ruthénium	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d7
no 45	Rh	Rhodium	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d8
no 46	Pd	Palladium	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10
no 47	Ag	Argent	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d10
no 57	La	Lanthane	Lanthanide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 5d1
no 58	Ce	Cérium	Lanthanide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f1 5d1
no 64	Gd	Gadolinium	Lanthanide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f7 5d1
no 78	Pt	Platine	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d9
no 79	Au	Or	Métal de transition	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1 4f14 5d10
no 89	Ac	Actinium	Actinide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 6d1
no 90	Th	Thorium	Actinide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 6d2
no 91	Pa	Protactinium	Actinide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f2 6d1
no 92	U	Uranium	Actinide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f3 6d1
no 96	Cm	Curium	Actinide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f7 6d1
no 103	Lr	Lawrencium	Actinide	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 7p1