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Recherche:Classification des éléments chimiques par la mécanique quantique

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Travail de recherche : Classification des éléments chimiques par la mécanique quantique

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Ce travail de recherche est rattaché au département Chimie quantique.


Proposé par Bernard Schaeffer


Sommaire

Le tableau de MendeleïevModifier

La chimie quantique étudie la structure des molécules à l'aide de la mécanique quantique, mais, curieusement, les chimistes n'appliquent pas la mécanique quantique à la structure des atomes. Les critères utilisés sont chimiques ou physiques, pas toujours compatibles car ils ne concernent généralement pas les mêmes couches électroniques. Il existe des centaines de tables périodiques, souvent farfelues. Si on applique la mécanique quantique aux molécules, pour être cohérent, on devrait aussi l'appliquer aux atomes.

La table de Mendeleïev a plus d’un siècle d’existence. Elle était, à l’origine, basée sur les masses atomiques, avec une périodicité de sept lignes correspondant à peu près aux blocs s et p de la mécanique quantique, les gaz rares en moins. Les lignes, devenues colonnes, ont été complétées à huit après la découverte des gaz rares par Ramsay. Moseley a remplacé la masse par le numéro atomique comme critère de classement. Les transuraniens ont été découverts par Seaborg. Il a placé les lanthanides et les actinides séparément, en bas de la table. Avec la venue de la mécanique quantique, la classification a été éclairée par la connaissance de la structure électronique. Cependant, les conclusions obtenues par Bohr, Sommerfeld, Pauli et d’autres n’ont pas encore été entièrement prises en compte dans les tables compactes. C’est pourquoi une modification du tableau périodique des éléments s’impose.

HéliumModifier

Il est bien connu[1] que l’hélium, comme l’hydrogène, a une structure de type s, avec deux électrons, soit 1s2. Les gaz rares sont caractérisés par leur mode de vibration de type p, avec six électrons dans la couche externe, soit np6, où n est le nombre quantique principal. L’hélium n’a que deux électrons dans la couche externe, au lieu de six pour les autres gaz « rares ». Pourtant, il est classé avec les gaz « inertes », qui ne le sont plus depuis 1962, date à laquelle Bartlett[2] a montré que les gaz « nobles » n’étaient pas inertes chimiquement. Cette position est manifestement incongrue alors qu’il y a une case vide correspondant à 1s2 à côté de l’hydrogène.


Lutécium et lawrenciumModifier

Le lutécium et le lawrencium sont classés, dans des ouvrages se réclamant pourtant de la mécanique quantique[1],[3], parmi les lanthanides et les actinides, soit 15 éléments par série, nombre incompatible avec le principe d’exclusion de Pauli qui requiert un nombre pair d’électrons dans une sous-couche complète. Certains auteurs[4],[5] classent le lutécium et le lawrencium dans le bloc d. On trouve d‘autres allusions à ce problème, comme chez Peeters sur le site Internet de l’IUPAC (International Union of Pure & Applied Chemistry). Il se contente de le signaler par des couleurs, sans modifier les colonnes. On savait déjà en 1930[6],[7] que le lutécium (ou lutetium) faisait partie du bloc d et non du bloc f. Des livres récents[8],[9] confirment ce choix.

L’ytterbium a comme structure (Xe) 6s2 4f14 : toutes ses sous-couches sont complètes, il est donc à la fin des lanthanides, caractérisés par le remplissage progressif de la sous-couche f[5]. Le lutécium a comme structure électronique (Xe) 6s2 4f14 5d1, c’est-à-dire que sa couche 4f est remplie, comme pour l’ytterbium. Sa couche 5d commence à se remplir ; c’est donc un métal de transition. Il est suivi du hafnium de structure (Xe) 6s2 4f14 5d2. La sous-couche 5d se complète ensuite jusqu’au mercure avec 10 électrons d : (Xe) 4f14 5d10 6s2. On peut faire la même constatation pour le lawrencium de structure électronique (Rn) 7s2 5f14 6d1. Le lanthane et l’actinium sont généralement placés de façon erronée à la place du lutécium et du lawrencium, eux-mêmes placés à la fin des lanthanides et des actinides par manque de place dans la table traditionnelle.


Incohérence du tableau périodique officielModifier

Le tableau périodique officiel, comme celui du CEA et de l'IUPAC, ci-après, présente trois erreurs car trois éléments sont mal placés, l'hélium He, le lutétium Lu et le lawrencium Lr.

Classification périodique des éléments (officielle)
Nombre d'électrons dans la sous-couche en remplissage :
1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6
l 0 2 1
Bloc s Bloc d Bloc p
n
1 K H He
2 L Li Be B C N O F Ne
3 M Na Mg Al SI P S Cl Ar
4 N K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 O Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 P Cs Ba 57 á 71 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Q Fr Ra 89 á 103 Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Uuu Uub 113 Uuq 115 Uuh 117 Uuo
Détail des lanthanides et actinides (Bloc f)
Nombre d'électrons dans la sous-couche en remplissage :
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
n
6 P LA Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
7 Q Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

En effet, on remarque immédiatement que ce tableau est incohérent. L'hélium se retrouve dans le bloc p au lieu du bloc s. La colonne contenant le scandium Sc et l'yttrium Y devient tout à coup multiple. Les lanthanides et les actinides sont chacun en nombre impair, en contradiction avec le principe d'exclusion de Pauli.

Modification proposée du tableau périodiqueModifier

Je propose donc de grouper l’hydrogène et l’hélium ayant le même mode de vibration s et de mettre le lutécium et le lawrencium dans le bloc d, conformément à leur structure électronique. La table modifiée se présente alors sous la forme ci-après, avec création d’un emplacement pour le bloc f, détaillé à part, selon la présentation habituelle :

Classification périodique des éléments (officielle)
Nombre d'électrons dans la sous-couche en remplissage :
1 2 1…14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6
l 0 3 2 1
Bloc s Bloc f Bloc d Bloc p
n
1 K H He He
2 L Li Be B C N O F Ne
3 M Na Mg Al SI P S Cl Ar
4 N K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 O Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 P Cs Ba 57 á 70 Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Q Fr Ra 89 á 102 Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Uuu Uub 113 Uuq 115 Uuh 117 Uuo
Détail des lanthanides et actinides (Bloc f)
Nombre d'électrons dans la sous-couche en remplissage :
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
n
6 P LA Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
7 Q Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No

Le numéro atomique croît de gauche à droite. Le nombre quantique principal n avec la dénomination littérale des couches électroniques correspondantes augmente de haut en bas. Le nombre quantique secondaire l apparaît en haut, sous les formes numérique et littérale, sous forme de blocs. Il croît de droite à gauche sauf l=0, qui est traditionnellement à gauche, et devrait être à droite, mais ce n’est pas grave. Aux valeurs de l sont associées les lettres minuscules s, p, d, f.

Chaque bloc contient 4l+2 éléments chimiques en faisant varier le nombre quantique magnétique m de -l à +l. Le nombre d'éléments par bloc doit être pair en vertu du principe d'exclusion de Pauli. Pour l=0, on a 2 éléments, l'hydrogène et l'hélium. Pour l=1, on a 6 éléments, et ainsi de suite, soit 2 (pour s), 6 (pour p), 10 (pour d), 14 (pour f). Le nombre total de colonnes passe de 18 à 32 par la prise en compte des lanthanides et actinides en tant que bloc f, tassé dans le tableau principal, mais détaillé à part, comme sur la table traditionnelle.

Les trois éléments faisant l’objet de la correction sont en gras. On remarque l’absence de place pour l’hélium dans le bloc p alors qu’une case vide lui est destinée à côté de l’hydrogène. La présence de cette case vide sur la table officielle aurait dû mettre la puce à l'oreille des chimistes car c’est la présence de cases vides qui a conduit à la découverte de nouveaux éléments. Sauf découverte d'éléments de numéros atomiques supérieurs à 118, cette présentation de la table de Mendeleïev, à la fois cohérente et compacte, devrait être définitive. Ces modifications ont déjà été proposées par d'autres[4],[7],[9],[10] depuis Bohr et Pauli il y a plus de 70 ans mais les chimistes ne veulent rien savoir et s'obstinent à vouloir utiliser des critères physiques ou chimiques variables selon les auteurs, ce qui explique les centaines de tables périodiques existantes. Ils se chamaillent entre eux alors que le tableau de Mendeleiev peut être présenté selon le critère mathématique rigoureux issu de la mécanique quantique, appelé fdps[10] et en parfait accord avec les spectres optiques caractéristiques des éléments chimiques. L'obtention des nombres quantiques principal l et magnétique m peuvent s'obtenir sans avoir à résoudre l'équation de Schrödinger grâce à des considérations de symétrie[11].

RéférencesModifier

  1. 1,0 et 1,1 Wichmann (Eywind H.) - Pierre Lallemand et Nicole Ostrowsky (Auteur), Physique quantique, Armand Colin, 1974 
  2. N. Bartlett, Xenon Hexafluoroplatinate(V) Xe+[PtF6]–. Proc. Chem. Soc. 1962 (June), 218.
  3. U. Fano, L. Fano, Basic physics of atoms and molecules,Wiley, New York, 1959.
  4. 4,0 et 4,1 W.B. Jensen, The Positions of Lanthanum (Actinium) and Lutetium (Lawrencium) in the Periodic Table, Journal of Chemical Education, 1982, 59, p. 634-636.
  5. 5,0 et 5,1 McQuarrie (Donald Allan) et Rock (Peter A.) (trad. Paul Depovere), Chimie générale, Bruxelles, DeBoeck Université, 1992, broché 
  6. C. Janet, Concordance de l'arrangement quantique, de base, des électrons planétaires des atomes - avec la classification scalariforme, hélicoïdale, des éléments chimiques, Beauvais - Imprimerie départementale de l'Oise, 1930.
  7. 7,0 et 7,1 M. Born, Atomic Physics, Dover, New York, 1989 (première édition en 1935).
  8. G.J. Leigh, H.A. Favre, W.V. Metanomski, Principes de nomenclature de la chimie, Introduction aux recommandations de l'IUPAC, De Boeck université.
  9. 9,0 et 9,1 R. Ouahes, C. Ouahes, Chimie physique, Ellipses, Paris 1995.
  10. 10,0 et 10,1 Bent, A., New Ideas in Chemistry from Fresh Energy for the Periodic Law. Authorhouse, Bloomington, IN, 2006.
  11. Schaeffer, B., Relativités et quanta clarifiés, Publibook, 2007

Voir aussiModifier

Cette proposition de Note (avec, ici, quelques améliorations) à l'Académie des Sciences (section Chimie) a été refusée avec les arguments suivants:

Expert no 2: "Une présentation similaire a déjà été proposé (sic) de façon beaucoup plus astucieuse et sans violenter la Chimie par W. B. Jensen avec sa présentation pyramidale."

Expert no 3: "La proposition de mettre He dans la même colonne que Be, Mg et Ca est totalement absurde car elle ne reflète pas du tout la chimie très différente de ces éléments. La proposition de ne mettre que Lu dans la colonne de Sc et Yb est moins absurde mais elle néglige que la chimie de l’ensemble des lanthanides est très semblable à celle de Lu et donc à celle de Sc et Yb. Le tableau périodique dans son état actuel a fait ses preuves et n'a pas besoin d’être modifié." (autrement dit, la mécanique quantique est absurde)

Il n'y a pas d'avis de l'expert no 1, sans doute l'académicien patron des experts.