Blocs du tableau périodique
Les blocs s, p, d et f indiquent quel type de sous-couche atomique est en cours de remplissage dans le tableau périodique. Leur largeur et leur position ne sont pas décoratives : elles découlent de la capacité des orbitales et de l’ordre dans lequel les énergies des sous-couches deviennent accessibles.
Définition des blocs et capacité des sous-couches
Le bloc s correspond principalement au remplissage des orbitales ns ; le bloc p à np, le bloc d à (n−1)d et le bloc f à (n−2)f. Une sous-couche s accueille 2 électrons, p 6, d 10 et f 14, ce qui correspond exactement aux largeurs caractéristiques des blocs.
bloc s
Groupes 1–2, plus l’hélium si l’on se fonde sur la configuration électronique. Motif externe typique ns¹–².
bloc p
Groupes 13–18 sauf He. Motif externe typique ns²np¹–⁶.
bloc d
Éléments de transition. Remplissage des orbitales (n−1)d ; la chimie met souvent en jeu à la fois les électrons ns et d.
bloc f
Lanthanides et actinides. Remplissage des orbitales (n−2)f ; ils sont généralement dessinés sous le tableau pour le garder compact.
Construction de la disposition du tableau périodique
La période 1 ne contient que 1s et comprend donc deux éléments. Les périodes 2 et 3 remplissent ns puis np, soit 8 éléments chacune. Les périodes 4 et 5 insèrent un bloc d de dix éléments entre s et p, soit 18 éléments. Les périodes 6 et 7 incluent le bloc f de 14 éléments et peuvent contenir 32 éléments.
Les deux lignes f détachées sont un choix typographique. Dans le tableau long complet, les lanthanides et les actinides se placent entre les parties s et d des périodes 6 et 7 ; les déplacer dessous évite d’obtenir un tableau extrêmement large.
Lire les configurations à partir de la position
La position dans un bloc permet de retrouver rapidement le motif de la dernière sous-couche. Un élément situé dans la deuxième colonne du bloc p possède np² ; dans la cinquième, np⁵, auxquels s’ajoute le ns² précédent pour les éléments des groupes principaux.
Par exemple, le soufre se situe dans la période 3 et dans la quatrième colonne du bloc p : [Ne]3s²3p⁴. Le calcium est en période 4, deuxième colonne du bloc s : [Ar]4s². Le scandium ouvre la série 3d après 4s² : [Ar]3d¹4s².
La carte des blocs est utile, mais pas infaillible
La classification en blocs suit la structure électronique, mais certaines configurations fondamentales présentent des exceptions. Cr et Cu ne suivent pas la prédiction la plus simple 4s²3dⁿ, et des irrégularités supplémentaires apparaissent chez les éléments lourds des blocs d et f parce que les sous-couches voisines sont proches en énergie.
L’hélium fournit un autre cas instructif : sa configuration 1s² correspond électroniquement au bloc s, mais il est placé dans le groupe 18 parce que sa couche fermée et son comportement chimique le rapprochent des gaz nobles.
Le tableau périodique encode donc à la fois la configuration électronique et les similitudes chimiques. Ces deux principes se renforcent mutuellement sans constituer toujours des règles de classement identiques.
Construction période par période
| Période | Sous-couches remplies au cours de la période | Nombre maximal d’éléments |
|---|---|---|
| 1 | 1s | 2 |
| 2 | 2s, 2p | 8 |
| 3 | 3s, 3p | 8 |
| 4 | 4s, 3d, 4p | 18 |
| 5 | 5s, 4d, 5p | 18 |
| 6 | 6s, 4f, 5d, 6p | 32 |
Le motif montre pourquoi le numéro de période et la valeur n de la sous-couche en cours de remplissage ne sont pas toujours identiques. Le bloc d de la période 4 correspond à 3d, et le bloc f de la période 6 à 4f.
Les blocs relient la position à la chimie
Les métaux du bloc s possèdent généralement un ou deux électrons ns faciles à retirer. La chimie du bloc p va des métaux aux non-métaux fortement électronégatifs en passant par les métalloïdes, car la sous-couche np se remplit sur six colonnes. Les éléments du bloc d présentent des états d’oxydation variables et une chimie de coordination riche parce que plusieurs états d et s sont proches en énergie.
Le bloc f montre des variations plus subtiles au fil des lanthanides : les électrons 4f écrantent mal tout en restant relativement contractés. Ce faible écrantage entraîne la contraction des lanthanides, qui influence à son tour la taille des métaux de transition suivants.
L’hélium et les limites d’une classification unique
Électroniquement, He est 1s² et correspondrait à une définition du bloc s. Chimiquement, sa couche fermée en fait sans ambiguïté un gaz noble ; il est donc placé au-dessus de Ne dans le groupe 18. C’est un bon rappel que le tableau périodique encode à la fois le remplissage orbitalaire et la récurrence des propriétés chimiques.
Les discussions sur la position exacte de certains éléments aux extrémités du bloc f reflètent le même fait : les étiquettes de blocs sont des outils explicatifs, alors que les structures électroniques réelles peuvent se trouver près des frontières de classification.
Numéros de groupe et position dans les blocs
Pour le bloc p, le numéro moderne du groupe peut être relié au nombre d’électrons externes s et p : les groupes 13 à 18 correspondent globalement à ns²np¹ jusqu’à ns²np⁶. C’est pourquoi C et Si, tous deux du groupe 14, partagent le motif de valence ns²np² malgré des numéros de couche principale différents.
Dans le bloc d, la relation est moins directe, car les occupations ns et (n−1)d peuvent se réorganiser. Le numéro de groupe reste lié au nombre global d’électrons et à la chimie, mais les états d’oxydation et les configurations réelles doivent être vérifiés élément par élément.
La séquence retardée du bloc d
La première sous-couche d est 3d, mais elle ne commence à se remplir qu’en période 4 parce que 4s devient accessible énergétiquement auparavant. De même, 4d appartient à la période 5 et 5d à la période 6. Le numéro de période désigne donc la couche principale la plus élevée occupée au début et à la fin de la ligne, et non chaque sous-couche remplie entre les deux.
Le bloc f et la contraction des lanthanides
Au cours de la série 4f, les électrons f ajoutés écrantent mal l’augmentation de la charge nucléaire. Le nuage électronique externe est progressivement attiré vers l’intérieur, ce qui produit la contraction des lanthanides. Cet effet dépasse le bloc f : Hf finit par avoir une taille proche de Zr et influence la chimie de toute la série de transition 5d.
Le bloc f n’est donc pas un appendice détaché. Sa structure électronique modifie les dimensions et la chimie des éléments qui le suivent dans le corps principal du tableau.
Exercices
Longueur de la période 4
Pourquoi la période 4 contient-elle 18 éléments ?
Solution
Elle remplit 4s² + 3d¹⁰ + 4p⁶ = 18 électrons au cours de la période.
Sélénium
Se se trouve en période 4, dans la quatrième colonne du bloc p. Donnez sa configuration externe.
Solution
4s²4p⁴, précédée par la sous-couche 3d¹⁰ remplie et le cœur [Ar].
bloc f
Pourquoi le bloc f possède-t-il une largeur de 14 éléments ?
Solution
f a ℓ = 3, donc 2ℓ + 1 = 7 orbitales ; 7 × 2 = 14 électrons.