ÉLÉMENTS CHIMIQUES

Un élément chimique est l'ensemble des atomes caractérisés par un certain nombre de protons dans leur noyau. Ce nombre, noté Z, est le numéro atomique de l'élément chimique. En effet, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur structure électronique, laquelle dépend directement du nombre de protons de leur noyau, de sorte que tous les atomes ayant le même numéro atomique partagent les mêmes propriétés chimiques. En revanche, les atomes d'un même élément chimique peuvent avoir un nombre variable de neutrons dans leur noyau, ce qu'on appelle des isotopes.

L'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, le fer, le cuivre, l'argent, l'or, etc. sont des éléments chimiques. Chacun est conventionnellement désigné par un symbole chimique : H, C, N, O, Fe, Cu, Ag, Au, etc. Au total, 118 éléments chimiques ont été observés à ce jour, de numéro atomique 1 à 118. Parmi eux, 94 éléments ont été identifiés sur Terre dans le milieu naturel, et 80 ont au moins un isotope stable (tous ceux de numéro atomique inférieur ou égal à 82 hormis les éléments 43 et 61).

Les éléments chimiques peuvent se combiner entre eux au cours de réactions chimiques pour former d'innombrables composés chimiques. Ainsi, l'eau résulte de la combinaison d'oxygène et d'hydrogène en molécules de formule chimique H2O — deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Dans des conditions opératoires différentes, l'oxygène et l'hydrogène pourront donner des composés différents, par exemple du peroxyde d'hydrogène, ou eau oxygénée, de formule H2O2 — deux atomes d'hydrogène et deux atomes d'oxygène. Réciproquement, chaque composé chimique peut être décomposé en éléments chimiques distincts, par exemple l'eau peut être électrolysée en oxygène et hydrogène.

Une substance pure constituée d'atomes du même élément chimique est appelée corps simple, et ne peut pas être décomposée en d'autres éléments distincts, ce qui différencie un corps simple d'un composé chimique. L'oxygène est un élément chimique, mais le gaz appelé couramment « oxygène » est un corps simple dont le nom exact est dioxygène, de formule O2, pour le distinguer de l'ozone, de formule O3, qui est également un corps simple ; l'ozone et le dioxygène sont des variétés allotropiques de l'élément oxygène. L'état standard d'un élément chimique est celui du corps simple dont l'enthalpie standard de formation est la plus faible aux conditions normales de température et de pression, par convention égale à zéro.

Un élément chimique ne peut pas se transformer en un autre élément par une réaction chimique, seule une réaction nucléaire appelée transmutation peut y parvenir. Cette définition a été formulée en substance pour la première fois par le chimiste français Antoine Lavoisier en 1789.

Les éléments chimiques sont communément classés dans une table issue des travaux du chimiste russe Dmitri Mendeleïev et appelée « tableau périodique des éléments » :

Définitions

Noms, symboles

En 2011 l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) a entériné les noms en anglais et les symboles chimiques internationaux des 112 premiers éléments (par ordre de numéro atomique) Le 31 mai 2012, l'UICPA a nommé deux éléments supplémentaires, le flérovium Fl et le livermorium Lv (numéros 114 et 116). Le 31 décembre 2015 l'UICPA a officialisé l'observation de quatre autres éléments, de numéros atomiques 113, 115, 117 et 118, mais ne leur a pas attribué de noms définitifs. Provisoirement désignés sous les noms systématiques d'ununtrium (Uut), ununpentium (Uuv), ununseptium (Uus) et ununoctium (Uuo), ils reçurent leur nom définitif le 28 novembre 2016, respectivement nihonium (Nh), moscovium (Mc), tennesse (Ts) et oganesson (Og).

Abondance

.

Abondance des dix éléments les plus fréquents dans notre galaxie, estimée par spectroscopie.

Z

Élément

ppm

1

Hydrogène

739 000

2

Hélium

240 000

8

Oxygène

10 400

6

Carbone

4 600

10

Néon

1 340

26

Fer

1 090

7

Azote

960

14

Silicium

650

12

Magnésium

580

16

Soufre

440

En tout, 118 éléments ont été observés au 1er trimestre 2012. « Observé » peut simplement vouloir dire qu'on a identifié au moins un atome de cet élément de façon raisonnablement sûre : ainsi, seuls trois atomes de l'élément 118 ont été détectés à ce jour, et ce de façon indirecte à travers les produits de leur chaîne de désintégration.

Seuls les 94 premiers éléments sont observés sur Terre dans le milieu naturel, parmi lesquels six ne sont présents qu'à l'état de traces : le technétium 43Tc, le prométhium 61Pm, l'astate 85At, le francium 87Fr, le neptunium 93Np et le plutonium 94Pu. Il s'agit d'éléments qui se désintègrent trop rapidement en comparaison de leur taux de formation ; le neptunium 93Np et le plutonium 94Pu résultent par exemple de la capture neutronique par le thorium 90Th ou surtout par l'uranium 92U. Le réacteur nucléaire naturel d’Oklo a aussi produit les transuraniens de l'américium 95Am jusqu'au fermium 100Fm, mais ils se sont rapidement désintégrés en éléments plus légers.

Les astronomes ont observé les raies spectroscopiques du californium 98Cf dans une supernova et jusqu'à l'einsteinium 99Es dans l'étoile de Przybylski.

Les 18 autres éléments observés non détectés sur Terre ni dans l'espace ont été produits artificiellement par réactions nucléaires à partir d'éléments plus légers.

Selon le modèle standard de la cosmologie, l'abondance relative des isotopes des 95 éléments naturels dans l'univers résulte de quatre phénomènes :

Numéro atomique

Le numéro atomique d'un élément, noté Z (en référence à l'allemand Zahl), est égal au nombre de protons contenu dans les noyaux des atomes de cet élément. Par exemple, tous les atomes d'hydrogène ne comptent qu'un seul proton, donc le numéro atomique de l'hydrogène est Z = 1. Si tous les atomes d'un même élément comptent le même nombre de protons, ils peuvent en revanche avoir différents nombres de neutrons : chaque nombre de neutrons possible définit un isotope de l'élément.

Les atomes étant électriquement neutres, ils comptent autant d'électrons, chargés négativement, que de protons, chargés positivement, de sorte que le numéro atomique représente également le nombre d'électrons des atomes d'un élément donné. Les propriétés chimiques d'un élément étant déterminées avant tout par sa configuration électronique, on comprend que le numéro atomique est la caractéristique déterminante d'un élément chimique.

Le numéro atomique définit entièrement un élément : connaître le numéro atomique revient à connaître l'élément. C'est pour cela qu'il est généralement omis avec les symboles chimiques, sauf éventuellement pour rappeler la position de l'élément dans le tableau périodique. Lorsqu'il est représenté, il se positionne en bas à gauche du symbole chimique : ZX.

Nombre de masse

Le nombre de masse d'un élément, noté A, est égal au nombre de nucléons (protons et neutrons) contenu dans les noyaux des atomes de cet élément. Si tous les atomes d'un élément donné ont par définition le même nombre de protons, ils peuvent en revanche avoir des nombres différents de neutrons, et donc des nombres de masse différents, ce qu'on appelle des isotopes. Par exemple, l'hydrogène 1H a trois isotopes principaux : le protium 1
1H
, hydrogène courant, dont le noyau à un proton n'a aucun neutron ; le deutérium 2
1H
 ; plus rare, dont le noyau à un proton compte, en plus, un neutron ; et le tritium 3
1H
, radioactif, présent dans le milieu naturel à l'état de traces, et dont le noyau à un proton compte deux neutrons.

Le nombre de masse n'a généralement aucune incidence sur les propriétés chimiques des atomes, car il n'affecte pas leur configuration électronique ; un effet isotopique peut néanmoins être observé pour les atomes légers, c'est-à-dire le lithium 3Li, l'hélium 2He et surtout l'hydrogène 1H, car l'ajout ou le retrait d'un neutron dans le noyau de tels atomes entraîne une variation relative significative de la masse de l'atome, qui affecte les fréquences et l'énergie de vibration et de rotation des molécules (mesurable par spectroscopie infrarouge). Cela modifie la cinétique des réactions chimiques, et l'intensité des liaisons chimiques, le potentiel d'oxydoréduction. Pour les éléments lourds, en revanche, le nombre de masse n'a pratiquement pas d'influence sur leurs propriétés chimiques.

La densité volumique est proportionnelle à la masse atomique donc presque au nombre de masse. La vitesse de translation étant inversement à la racine carrée de la masse moléculaire, certains propriétés physiques comme la vitesse du son, la conductibilité thermique, la volatilité, la vitesse de diffusion sont un peu modifiées. Les propriétés physiques peuvent différer suffisamment pour permettre de séparer les isotopes, comme 238
92U
et 235
92U
, par diffusion ou centrifugation.

Le nombre de masse n'affectant pas les propriétés chimiques des éléments, il est généralement omis avec les symboles chimiques, sauf lorsqu'il s'agit de distinguer des isotopes. Lorsqu'il est représenté, il se positionne en haut à gauche du symbole chimique : AX.

Masse atomique

L'unité de masse atomique a été définie par l'UICPA en 1961 comme étant exactement le douzième de la masse du noyau d'un atome de 12C (carbone 12) :

1 u ≈ 1,660538782(83) × 10-27 kg ≈ 931,494028(23) MeV/c2.

La masse au repos d'un nucléon n'est en effet pas pertinente pour mesurer la masse des atomes car protons et neutrons n'ont pas exactement la même masse au repos — respectivement 938,2013(23) MeV/c2 et 939,565 560(81) MeV/c2 — et surtout cette masse diffère de celle qu'ils ont lorsqu'ils font partie d'un noyau atomique en raison de l'énergie de liaison nucléaire de ces nucléons, qui induit un défaut de masse entre la masse réelle d'un noyau atomique et le cumul des masses au repos des nucléons qui composent ce noyau.

La masse atomique d'un élément est égale à la somme des produits des nombres de masse de ses isotopes par leur abondance naturelle. Appliqué par exemple au plomb, cela donne :


Isotope

  Abondance naturelle

A

Produit

204Pb

1,4 %    

× 204 =

2,9

206Pb

24,1 %    

× 206 =

49,6

207Pb

22,1 %    

× 207 =

45,7

208Pb

52,4 %    

× 208 =

109,0


Masse atomique du plomb =

207,2


La mole étant définie par le nombre d'atomes contenus dans 12 g de carbone 12 (soit N ≈ 6,022 141 79 1023 atomes), la masse atomique du plomb est donc de 207,2 g/mol, avec un défaut de masse de l'ordre de 7,561 676 MeV/c2 par nucléon.

De ce qui précède, on comprend qu'on ne peut définir de masse atomique que pour les éléments dont on connaît la composition isotopique naturelle ; à défaut d'une telle composition isotopique, on retient le nombre de masse de l'isotope connu ayant la période radioactive la plus longue, ce qu'on indique généralement en représentant la masse atomique obtenue entre parenthèses ou entre crochets.

Isotopes

Article connexe : Table des isotopes.

Isotopes les plus abondants
dans le
système solaire

Isotope

Nucléides
(ppm)

1H

705 700

4He

275 200

16O

5 920

12C

3 032

20Ne

1 548

56Fe

1 169

14N

1 105

28Si

653

24Mg

513

32S

396

22Ne

208

26Mg

79

36Ar

77

54Fe

72

25Mg

69

40Ca

60

27Al

58

58Ni

49

13C

37

3He

35

29Si

34

23Na

33

57Fe

28

2H

23

30Si

23

Deux atomes dont le noyau compte le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons sont dits « isotopes » de l'élément chimique défini par le nombre de protons de ces atomes. Parmi les 118 éléments observés, seuls 80 ont au moins un isotope stable (non radioactif) : tous les éléments de numéro atomique inférieur ou égal à 82, c'est-à-dire jusqu'au plomb 82Pb, hormis le technétium 43Tc et le prométhium 61Pm. Parmi ceux-ci, seuls 14 n'ont qu'un seul isotope stable (par exemple le fluor, constitué exclusivement de l'isotope 19F), les 66 autres en ont au moins deux (par exemple le cuivre, dans les proportions 69 % de 63Cu et 31 % de 65Cu, ou le carbone, dans les proportions 98,9 % de 12C et 1,1 % de 13C). Il existe en tout 256 isotopes stables connus des 80 éléments non radioactifs, ainsi qu'une vingtaine d'isotopes faiblement radioactifs présents dans le milieu naturel (parfois avec une période radioactive tellement grande qu'elle en devient non mesurable), certains éléments ayant à eux seuls plus d'une demi-douzaine d'isotopes stables ; ainsi, l'étain 50Sn en compte pas moins de dix, d'occurrences naturelles fort variables :

Isotope

Abondance naturelle
(%)

N

112Sn

0,97

62

114Sn

0,65

64

115Sn

0,34

65

116Sn

14,54

66

117Sn

7,68

67

118Sn

24,23

68

119Sn

8,59

69

120Sn

32,59

70

122Sn

4,63

72

124Sn

5,79

74

Parmi les 274 isotopes les plus stables connus (comprenant 18 isotopes « quasi stables » ou très faiblement radioactifs), un peu plus de 60 % (165 nucléides pour être exact) sont constitués d'un nombre pair à la fois de protons (Z) et de neutrons (N), et un peu moins de 1,5 % (seulement quatre nucléides) d'un nombre impair à la fois de protons et de neutrons ; les autres nucléides se répartissent à peu près à parts égales (un peu moins de 20 %) entre Z pair et N impair, et Z impair et N pair. Globalement, 220 nucléides stables (un peu plus de 80 %) ont un nombre pair de protons, et seulement 54 en ont un nombre impair ; c'est un élément sous-jacent à l'effet d'Oddo-Harkins, relatif au fait que, pour Z > 4 (c'est-à-dire à l'exception des éléments issus de la nucléosynthèse primordiale), les éléments de numéro atomique pair sont plus abondants dans l'univers que ceux dont Z est impair. Cet effet se manifeste notamment dans la forme en dents de scie des courbes d'abondance des éléments par numéro atomique croissant :

6699

                                                                                                                    Abondance des éléments dans l'univers.

 

6700

 

 

 

 

                                                                                                       Abondance des éléments dans l'écorce terrestre continentale.

Isotones

Deux atomes qui ont le même nombre de neutrons mais un nombre différent de protons sont dits isotones. Il s'agit en quelque sorte de la notion réciproque de celle d'isotope.

C'est par exemple le cas des nucléides stables S, Cl, Ar, K et Ca, situés sur l'isotone 20 : ils comptent tous 20 neutrons, mais respectivement 16, 17, 18, 19 et 20 protons ; les isotones 19 et 21, quant à eux, ne comptent aucun isotope stable.

Radioactivité

 

1

2

 

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

H

 

 

He

2

Li

Be

 

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

 

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

 

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

 

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

6

Cs

Ba


*

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

7

Fr

Ra


*
*

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

 

 

 

 


*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

 

 


*
*

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

 

 

 

 

 

 

Pb

 

Un isotope au moins de cet élément est stable

 

Cm

 

Un isotope a une période d'au moins 4 millions d'années

 

Cf

 

Un isotope a une période d'au moins 800 ans

 

Md

 

Un isotope a une période d'au moins 1 journée

 

Bh

 

Un isotope a une période d'au moins 1 minute

 

Og

 

Tous les isotopes connus ont une période inférieure à 1 minute

80 des 118 éléments du tableau périodique standard possèdent au moins un isotope stable : ce sont tous les éléments de numéro atomique compris entre 1 (hydrogène) et 82 (plomb) hormis le technétium 43Tc et le prométhium 61Pm, qui sont radioactifs.

Dès le bismuth 83Bi, tous les isotopes des éléments connus sont (au moins très faiblement) radioactifs — l'isotope 209Bi a ainsi une période radioactive valant un milliard de fois l'âge de l'univers. Lorsque la période dépasse quatre millions d'années, la radioactivité produite par ces isotopes est négligeable et ne constitue pas de risque sanitaire : c'est par exemple le cas de l'uranium 238, dont la période est de près de 4,5 milliards d'années.

Au-delà de Z = 110 (darmstadtium 281Ds), tous les isotopes des éléments ont une période radioactive de moins de 30 secondes, et de moins d'un dixième de seconde à partir du moscovium 288
115Mc
.

Le modèle en couches de la structure nucléaire permet de rendre compte de la plus ou moins grande stabilité des noyaux atomiques en fonction de leur composition en nucléons (protons et neutrons). En particulier, des « nombres magiques » de nucléons, conférant une stabilité particulière aux atomes qui en sont composés, ont été observés expérimentalement, et expliqués par ce modèle. Le plomb 208, qui est le plus lourd des noyaux stables existants, est ainsi composé du nombre magique de 82 protons et du nombre magique de 126 neutrons.

Certaines théories extrapolent ces résultats en prédisant l'existence d'un îlot de stabilité parmi les nucléides superlourds, pour un « nombre magique » de 184 neutrons et — selon les théories et les modèles — 114, 120, 122 ou 126 protons.

Une approche plus moderne de la stabilité nucléaire montre toutefois, par des calculs fondés sur l'effet tunnel, que, si de tels noyaux superlourds doublement magiques seraient probablement stables du point de vue de la fission spontanée, ils devraient cependant subir des désintégrations α avec une période radioactive de quelques microsecondes ; un îlot de relative stabilité pourrait néanmoins exister autour du darmstadtium 293, correspondant aux nucléides définis par Z compris entre 104 et 116 et N compris entre 176 et 186 : ces éléments pourraient avoir des isotopes présentant des périodes radioactives atteignant quelques minutes.

Isomères nucléaires

Exemple d'isomérie : le tantale 179

Isomère

Énergie
d'excitation
(
keV)

Période

Spin

179Ta

0,0

1,82 an

7/2+

179m1Ta

30,7

1,42 μs

9/2-

179m2Ta

520,2

335 ns

1/2+

179m3Ta

1 252,6

322 ns

21/2-

179m4Ta

1 317,3

9,0 ms

25/2+

179m5Ta

1 327,9

1,6 μs

23/2-

179m6Ta

2 639,3

54,1 ms

37/2+

Un même noyau atomique peut parfois exister dans plusieurs états énergétiques distincts caractérisés chacun par un spin et une énergie d'excitation particuliers. L'état correspondant au niveau d'énergie le plus bas est appelé état fondamental : c'est celui dans lequel on trouve naturellement tous les nucléides. Les états d'énergie plus élevée, s'ils existent, sont appelés isomères nucléaires de l'isotope considéré ; ils sont généralement très instables et résultent la plupart du temps d'une désintégration radioactive.

On note les isomères nucléaires en adjoignant la lettre « m » — pour « métastable » — à l'isotope considéré : ainsi l'aluminium 26, dont le noyau a un spin 5+ et est radioactif avec une période de 717 000 ans, possède un isomère, noté 26mAl, caractérisé par un spin 0+, une énergie d'excitation de 6 345,2 keV et une période de 6,35 s.

S'il existe plusieurs niveaux d'excitation pour cet isotope, on note chacun d'eux en faisant suivre la lettre « m » par un numéro d'ordre, ainsi les isomères du tantale 179 présentés dans le tableau ci-contre.

Un isomère nucléaire retombe à son état fondamental en subissant une transition isomérique, qui se traduit par l'émission de photons énergétiques, rayons X ou rayons γ, correspondant à l'énergie d'excitation.

Isomères nucléaires d'intérêt particulier

Certains isomères nucléaires sont particulièrement remarquables :

  • le tantale 180m1 a la particularité d'être stable sur au moins 1015 ans (près de 75 000 fois l'âge de l'univers), ce qui est d'autant plus remarquable que l'état fondamental de l'isotope 180Ta est, au contraire, très instable : le 180mTa est le seul isomère nucléaire présent dans le milieu naturel ; le mécanisme de sa formation dans les supernovae est d'ailleurs mal compris ;
  • le thorium 229m est peut-être l'isomère connu ayant la plus faible énergie d'excitation, à peine quelques électron-volts : cette énergie est si faible qu'elle est difficilement mesurable, l'estimation la plus récente la situant vers (7,6 ± 0,5) eV20, tandis qu'un consensus plus ancien la plaçait vers (3,5 ± 1,0) eV21. Cela correspond à des photons dans l'ultraviolet, et, s'il était possible d'exciter l'isotope 229Th avec un laser ultraviolet de longueur d'onde adéquate, cela rendrait possible la réalisation de batteries à haute densité d'énergie, voire peut-être d'horloges atomiques de précision ;

Allotropes

6701

Le diamant et le graphite sont deux allotropes du carbone.

Un même élément chimique peut former plusieurs corps simples différant seulement les uns des autres par l'agencement des atomes dans les molécules ou les structures cristallines qui les définissent. Le carbone existe ainsi sous forme graphite à système cristallin hexagonal, sous forme diamant à structure tétraédrique, sous forme graphène qui correspond à un unique feuillet hexagonal de graphite, ou encore sous formes fullerène ou nanotube de carbone qui peuvent être vues comme des feuillets de graphène respectivement sphériques et tubulaires. Ces différentes formes de carbone sont appelées allotropes de cet élément. De la même façon, l'ozone O3 et le dioxygène O2 sont des allotropes de l'élément oxygène.

6702

(en) Diagramme de phases simplifié du carbone.

Chaque allotrope d'un élément ne peut exister que dans une gamme de températures et de pressions définies, ce qu'on représente par un diagramme de phases. Ainsi, le carbone ne cristallise sous forme diamant qu'en étant soumis à de hautes pressions, le diamant demeurant stable jusqu'à pression ambiante ; lorsqu'il cristallise à pression ambiante, le carbone donne néanmoins du graphite, et non du diamant.

État standard

Parmi toutes les variétés allotropiques d'un élément pouvant exister aux conditions normales de température et de pression, l'état standard est, par définition, celle dont l'enthalpie standard de formation est la plus faible, par convention définie comme nulle. Celui du carbone est le graphite, et celui de l'oxygène est le dioxygène, appelé pour cette raison communément « oxygène » en le confondant avec l'élément dont il est l'état standard.

Symboles, nomenclature et classification

Premiers symboles

Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) est à l'origine des symboles chimiques des éléments en définissant un système typographique fondé sur l'alphabet latin sans aucun signe diacritique : une lettre majuscule, parfois suivie d'une lettre minuscule (ou deux chez certains éléments synthétiques), sans point marquant normalement une abréviation, dans une démarche universaliste qui a conduit à l'adoption de symboles issus du néolatin de l'époque moderne, par exemple :

Tous les symboles chimiques ont une validité internationale quels que soient les systèmes d'écriture en vigueur, à la différence des noms des éléments qui doivent être traduits.

Nomenclature actuelle

L'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) est l'instance chargée notamment de normaliser la nomenclature internationale des éléments chimiques et de leurs symboles. Cela permet de s'affranchir des querelles de nommage des éléments, qu'il s'agisse des querelles anciennes (par exemple au sujet du lutécium, que les Allemands ont appelé cassiopeium jusqu'en 1949 à la suite d'une querelle de paternité entre un Français et un Autrichien quant à la première purification de l'élément) ou récentes (notamment au sujet de l'élément 118, synthétisé conjointement par deux équipes, russe et américaine, qui s'opposaient sur le nom à donner à cet élément) :

  • le nom des 118 éléments reconnus par l'UICPA est à présent fixé, et le symbole chimique de ces éléments est unifié dans le monde entier ;
  • les éléments suivants, encore hypothétiques, reçoivent à titre provisoire une dénomination systématique fondée sur leur numéro atomique. L'élément 119 est ainsi appelé ununennium (Uue), l'élément 120 unbinilium (Ubn), etc.

Le tableau périodique des éléments est universellement utilisé pour classer les éléments chimiques de telle sorte que leurs propriétés soient largement prédictibles en fonction de leur position dans ce tableau. Issue des travaux du chimiste russe Dmitri Mendeleïev et de son contemporain allemand méconnu Julius Lothar Meyer, cette classification est dite périodique car organisée en périodes successives au long desquelles les propriétés chimiques des éléments, rangés par numéro atomique croissant, se succèdent dans un ordre identique.

Ce tableau fonctionne parfaitement jusqu'aux deux tiers de la septième période, ce qui englobe les 95 éléments détectés naturellement sur Terre ou dans l'espace ; au-delà de la famille des actinides (éléments qu'on appelle les transactinides), des effets relativistes, négligeables jusqu'alors, deviennent significatifs et modifient sensiblement la configuration électronique des atomes, ce qui altère très nettement la périodicité des propriétés chimiques aux confins du tableau.

Caractéristiques des différents éléments

Galerie partielle

Blocs de lithium flottant dans de l'huile de paraffine pour prévenir leur oxydation.

Silicium polycristallin.

Cristaux de soufre.

Cristaux de gallium à 99,999 % (degré de pureté appelé « 5-9 »).

Cuivre natif.

Brome et vapeurs dans une ampoule.

Iode cristallisé.

Pépites de platine (Californie et Sierra Leone).

Goutte de mercure.

Cristal de bismuth, dont l'irisation est due à une fine couche d'oxyde.

Z

Élément

Symbole

Famille

Masse atomique
(
g/mol)

Abondance des éléments
dans la croûte terrestre
22
(μg/kg)

Isotopes naturels, classés par abondance décroissante
(les isotopes
radioactifs sont marqués d'un astérisque)

1

Hydrogène

H

Non-métal

1,00794(7)23,24,25

1 400 000

1H, 2H

2

Hélium

He

Gaz noble

4,002602(2)23,25

8

4He, 3He

3

Lithium

Li

Métal alcalin

6,941(2)23,24,25,26

20 000

7Li, 6Li

4

Béryllium

Be

Métal alcalino-terreux

9,012182(3)

2 800

9Be

5

Bore

B

Métalloïde

10,811(7)23,24,25

10 000

11B, 10B

6

Carbone

C

Non-métal

12,0107(8)23,25

200 000

12C, 13C

7

Azote

N

Non-métal

14,0067(2)23,25

19 000

14N, 15N

8

Oxygène

O

Non-métal

15,9994(3)23,25

461 000 000

16O, 18O, 17O

9

Fluor

F

Halogène

18,9984032(5)

585 000

19F

10

Néon

Ne

Gaz noble

20,1797(6)23,24

5

20Ne, 22Ne, 21Ne

11

Sodium

Na

Métal alcalin

22,98976928(2)

23 600 000

23Na

12

Magnésium

Mg

Métal alcalino-terreux

24,3050(6)

23 300 000

24Mg, 26Mg, 25Mg

13

Aluminium

Al

Métal pauvre

26,9815386(8)

82 300 000

27Al

14

Silicium

Si

Métalloïde

28,0855(3)25

282 000 000

28Si, 29Si, 30Si

15

Phosphore

P

Non-métal

30,973762(2)

1 050 000

31P

16

Soufre

S

Non-métal

32,065(5)23,25

350 000

32S, 34S, 33S, 36S

17

Chlore

Cl

Halogène

35,453(2)23,24,25

145 000

35Cl, 37Cl

18

Argon

Ar

Gaz noble

39,948(1)23,25

3 500

40Ar, 36Ar, 38Ar

19

Potassium

K

Métal alcalin

39,0983(1)

20 900 000

39K, 41K, 40K*

20

Calcium

Ca

Métal alcalino-terreux

40,078(4)23

41 500 000

40Ca, 44Ca, 42Ca, 48Ca*, 43Ca, 46Ca

21

Scandium

Sc

Métal de transition

44,955912(6)

22 000

45Sc

22

Titane

Ti

Métal de transition

47,867(1)

5 650 000

48Ti, 46Ti, 47Ti, 49Ti, 50Ti

23

Vanadium

V

Métal de transition

50,9415(1)

120 000

51V, 50V*

24

Chrome

Cr

Métal de transition

51,9961(6)

102 000

52Cr, 53Cr, 50Cr, 54Cr

25

Manganèse

Mn

Métal de transition

54,938045(5)

950 000

55Mn

26

Fer

Fe

Métal de transition

55,845(2)

56 300 000

56Fe, 54Fe, 57Fe, 58Fe

27

Cobalt

Co

Métal de transition

58,933195(5)

25 000

59Co

28

Nickel

Ni

Métal de transition

58,6934(4)

84 000

58Ni, 60Ni, 62Ni, 61Ni, 64Ni

29

Cuivre

Cu

Métal de transition

63,546(3)25

60 000

63Cu, 65Cu

30

Zinc

Zn

Métal pauvre

65,38(2)

70 000

64Zn, 66Zn, 68Zn, 67Zn, 70Zn

31

Gallium

Ga

Métal pauvre

69,723(1)

19 000

69Ga, 71Ga

32

Germanium

Ge

Métalloïde

72,64(1)

1 500

74Ge, 72Ge, 70Ge, 73Ge, 76Ge

33

Arsenic

As

Métalloïde

74,92160(2)

1 800

75As

34

Sélénium

Se

Non-métal

78,96(3)25

50

80Se, 78Se, 76Se, 82Se, 77Se, 74Se

35

Brome

Br

Halogène

79,904(1)

2 400

79Br, 81Br

36

Krypton

Kr

gaz rare

83,798(2)23,24

0,1

84Kr, 86Kr, 82Kr, 83Kr, 80Kr, 78Kr

37

Rubidium

Rb

Métal alcalin

85,4678(3)23

90 000

85Rb, 87Rb*

38

Strontium

Sr

Métal alcalino-terreux

87,62(1)23,25

370 000

88Sr, 86Sr, 87Sr, 84Sr

39

Yttrium

Y

Métal de transition

88,90585(2)

33 000

89Y

40

Zirconium

Zr

Métal de transition

91,224(2)23

165 000

90Zr, 94Zr*, 92Zr, 91Zr, 96Zr*

41

Niobium

Nb

Métal de transition

92,90638(2)

20 000

93Nb

42

Molybdène

Mo

Métal de transition

95,96(2)23

1 200

98Mo, 96Mo, 95Mo, 92Mo, 100Mo*, 97Mo, 94Mo

43

Technétium

Tc

Métal de transition

[98,9063]27

Traces

99Tc*, 99mTc*

44

Ruthénium

Ru

Métal de transition

101,07(2)23

1

102Ru, 104Ru, 101Ru, 99Ru, 100Ru, 96Ru, 98Ru

45

Rhodium

Rh

Métal de transition

102,90550(2)

1

103Rh

46

Palladium

Pd

Métal de transition

106,42(1)23

15

106Pd, 108Pd, 105Pd, 110Pd, 104Pd, 102Pd

47

Argent

Ag

Métal de transition

107,8682(2)23

75

107Ag, 109Ag

48

Cadmium

Cd

Métal pauvre

112,411(8)23

150

114Cd, 112Cd, 111Cd, 110Cd, 113Cd*, 116Cd*, 106Cd, 108Cd

49

Indium

In

Métal pauvre

114,818(3)

250

115In*, 113In

50

Étain

Sn

Métal pauvre

118,710(7)23

2 300

120Sn, 118Sn, 116Sn, 119Sn, 117Sn, 124Sn, 122Sn, 112Sn, 114Sn, 115Sn

51

Antimoine

Sb

Métalloïde

121,760(1)23

200

121Sb, 123Sb

52

Tellure

Te

Métalloïde

127,60(3)23

1

130Te*, 128Te*, 126Te, 125Te, 124Te, 122Te, 123Te, 120Te

53

Iode

I

Halogène

126,90447(3)

450

127I

54

Xénon

Xe

gaz rare

131,293(6)23,24

0,03

132Xe, 129Xe, 131Xe, 134Xe, 136Xe, 130Xe, 128Xe, 124Xe, 126Xe

55

Césium

Cs

Métal alcalin

132,9054519(2)

3 000

133Cs

56

Baryum

Ba

Métal alcalino-terreux

137,327(7)

425 000

138Ba, 137Ba, 136Ba, 135Ba, 134Ba, 130Ba, 132Ba

57

Lanthane

La

Lanthanide

138,90547(7)23

39 000

139La, 138La*

58

Cérium

Ce

Lanthanide

140,116(1)23

66 500

140Ce, 142Ce, 138Ce, 136Ce

59

Praséodyme

Pr

Lanthanide

140,90765(2)

9 200

141Pr

60

Néodyme

Nd

Lanthanide

144,242(3)23

41 500

142Nd, 144Nd*, 146Nd, 143Nd, 145Nd, 148Nd, 150Nd*

61

Prométhium

Pm

Lanthanide

[146,9151]27

Traces

145Pm*

62

Samarium

Sm

Lanthanide

150,36(2)23

7 050

152Sm, 154Sm, 147Sm*, 149Sm, 148Sm*, 150Sm, 144Sm

63

Europium

Eu

Lanthanide

151,964(1)23

2 000

153Eu, 151Eu*

64

Gadolinium

Gd

Lanthanide

157,25(3)23

6 200

158Gd, 160Gd, 156Gd, 157Gd, 155Gd, 154Gd, 152Gd*

65

Terbium

Tb

Lanthanide

158,92535(2)

1 200

159Tb

66

Dysprosium

Dy

Lanthanide

162,500(1)23

5 200

164Dy, 162Dy, 163Dy, 161Dy, 160Dy, 158Dy, 156Dy

67

Holmium

Ho

Lanthanide

164,93032(2)

1 300

165Ho

68

Erbium

Er

Lanthanide

167,259(3)23

3 500

166Er, 168Er, 167Er, 170Er, 164Er, 162Er

69

Thulium

Tm

Lanthanide

168,93421(2)

520

169Tm

70

Ytterbium

Yb

Lanthanide

173,054(5)23

3 200

174Yb, 172Yb, 173Yb, 171Yb, 176Yb, 170Yb, 168Yb

71

Lutécium

Lu

Lanthanide

174,9668(1)23

800

175Lu, 176Lu*

72

Hafnium

Hf

Métal de transition

178,49(2)

3 000

180Hf, 178Hf, 177Hf, 179Hf, 176Hf, 174Hf*

73

Tantale

Ta

Métal de transition

180,9479(1)

2 000

181Ta, 180m1Ta

74

Tungstène

W

Métal de transition

183,84(1)

1 250

184W, 186W, 182W, 183W, 180W*

75

Rhénium

Re

Métal de transition

186,207(1)

0,7

187Re*, 185Re

76

Osmium

Os

Métal de transition

190,23(3)23

1,5

192Os, 190Os, 189Os, 188Os, 187Os, 186Os*, 184Os

77

Iridium

Ir

Métal de transition

192,217(3)

1

193Ir, 191Ir

78

Platine

Pt

Métal de transition

195,084(9)

5

195Pt, 194Pt, 196Pt, 198Pt, 192Pt, 190Pt*

79

Or

Au

Métal de transition

196,966569(4)

4

197Au

80

Mercure

Hg

Métal pauvre

200,59(2)

85

202Hg, 200Hg, 199Hg, 201Hg, 198Hg, 204Hg, 196Hg

81

Thallium

Tl

Métal pauvre

204.3833(2)

850

205Tl, 203Tl

82

Plomb

Pb

Métal pauvre

207,2(1)23,25

14 000

208Pb, 206Pb, 207Pb, 204Pb

83

Bismuth

Bi

Métal pauvre

208,98040(1)

8,5

209Bi*

84

Polonium

Po

Métal pauvre

[208,9824]27

200×10−9

209Po*

85

Astate

At

Métalloïde

[209,9871]27

Traces

210At*

86

Radon

Rn

Gaz noble

[222,0176]27

400×10−12

222Rn*

87

Francium

Fr

Métal alcalin

[223,0197]27

Traces

223Fr*, 221Fr*

88

Radium

Ra

Métal alcalino-terreux

[226,0254]27

900×10−6

226Ra*

89

Actinium

Ac

Actinide

[227,0278]27

550×10−9

227Ac*

90

Thorium

Th

Actinide

232,03806(2)23,27

9 600

232Th*

91

Protactinium

Pa

Actinide

231,03588(2)27

1,4×10−3

231Pa*

92

Uranium

U

Actinide

238,02891(3)23,24,27

2 700

238U*, 235U*, 234U*

93

Neptunium

Np

Actinide

[237,0482]27

Traces

237Np*

94

Plutonium

Pu

Actinide

[244,0642]27

Traces

244Pu*

95

Américium

Am

Actinide

[243,0614]27

96

Curium

Cm

Actinide

[247,0704]27

97

Berkélium

Bk

Actinide

[247,0703]27

98

Californium

Cf

Actinide

[251,0796]27

99

Einsteinium

Es

Actinide

[252,0829]27

100

Fermium

Fm

Actinide

[257,0951]27

101

Mendélévium

Md

Actinide

[258,0986]27

102

Nobélium

No

Actinide

[259,1009]27

103

Lawrencium

Lr

Actinide

[264]27

104

Rutherfordium

Rf

Métal de transition

[265]27

105

Dubnium

Db

Métal de transition

[268]27

106

Seaborgium

Sg

Métal de transition

[272]27

107

Bohrium

Bh

Métal de transition

[273]27

108

Hassium

Hs

Métal de transition

[276]27

109

Meitnérium

Mt

Indéfinie

[279]27

110

Darmstadtium

Ds

Indéfinie

[278]27

111

Roentgenium

Rg

Indéfinie

[283]27

112

Copernicium

Cn

Métal de transition

[285]27

113

Nihonium

Nh

Indéfinie

[287]27

114

Flérovium

Fl

Indéfinie

[289]27

115

Moscovium

Mc

Indéfinie

[291]27

116

Livermorium

Lv

Indéfinie

[293]27

117

Tennesse

Ts

Indéfinie

[294]27

118

Oganesson

Og

Indéfinie

[294]27

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