Familles d’éléments chimiques

Caractéristiques des familles d’éléments chimiques

Dans le tableau périodique, une famille d’éléments chimiques correspond à une colonne.
L’UICPA regroupe les éléments qui ont les mêmes propriétés chimiques et physiques.
Les chimistes assemblent également les éléments selon leurs usages.

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Les familles d’éléments chimiques : regroupements des éléments, différences et variabilité.

Dans le tableau périodique, une famille d’éléments chimiques correspond à une colonne. D’une part, l’UICPA regroupe les éléments qui ont les mêmes propriétés chimiques et physiques. D’autre part, les chimistes assemblent également les éléments selon leurs usages. Ils sont rassemblés dans la même famille chimique lorsqu’ils ont le même nombre d’électrons de valence. Ces électrons se trouvent sur la dernière couche électronique d’un atome. Ainsi, les éléments chimiques qui composent les familles diffèrent selon la source.

Regroupements des éléments selon l’UICPA

Quelques groupes dans le tableau périodique des éléments sont appelés par des noms d’usage. Cependant, d’autres noms de regroupements sont déjà dépassés. De ce fait, ils sont désignés par un numéro dans le tableau périodique. Leurs noms ont été officialisés par l’UICPA. Le tableau suivant présente, dans la première colonne, le nom de famille de regroupement des éléments et, dans la deuxième colonne, le groupe ou le numéro atomique des éléments chimiques concernés.

Nom de famille des éléments	Groupe ou numéro atomique des éléments chimiques
Famille des alcalins	Tous les éléments du groupe 1 du tableau périodique excepté l’hydrogène
Famille des alcalino-terreux	Tous les éléments du groupe 2 du tableau périodique
Famille des pnictogènes	Tous les éléments du groupe 15 du tableau périodique
Famille des chalcogènes	Tous les éléments du groupe 16 du tableau périodique
Famille des halogènes	Tous les éléments du groupe 17 du tableau périodique
Famille des gaz nobles	Tous les éléments du groupe 18 du tableau périodique
Famille des lanthanoïdes ou des lanthanides	Tous les éléments de numéro atomique de 57 à 71 dans le tableau périodique
Famille des actinoïdes ou des actinides	Tous les éléments de numéro atomique de 89 à 103 dans le tableau périodique
Famille des terres rares	Scandium, yttrium et lanthanides
Famille des métaux en transition	Les éléments de la partie centrale du tableau dans les colonnes 3 à 12. Ces éléments renferment des atomes qui possèdent une sous-couche électronique d incomplète. En effet, ce sont leurs ions qui ont perdu plusieurs électrons, par conséquent, ils portent plusieurs charges électriques positives. Ces ions sont appelés cations.

Regroupements informels des éléments chimiques

D’une part, les chimistes et les physiciens regroupent quelques éléments chimiques selon leurs usages en tant que matériaux. Voici la liste de ces regroupements :

les métaux et les métaux vrais : les alcalins et les alcalino-terreux des groupes 1 et 2 du tableau périodique ;
les métaux réfractaires ;
les métaux nobles ;
les platinoïdes qui forment le groupe du platine ;
les métaux lourds ou les éléments-trace métalliques ;
les métaux de transition interne : les lanthanides et les actinides ;
les métalloïdes ;
les métaux pauvres
les non-métaux ;
les transuraniens ;
les transactinides ;
les superactinides.

D’autre part, certaines disciplines ont regroupé des éléments chimiques selon leurs typologies. Par exemple, les lithophiles, les sidérophiles, les chalcophiles et les atmophiles sont regroupés dans la classification géochimique des éléments. Elle démontre la relation entre la répartition des grandes familles de ces éléments chimiques et la structure interne de la terre.

Les recommandations de l’UICPA sur les noms des regroupements des éléments chimiques ne sont pas obligatoirement adoptées par l’usage des chimistes. En particulier, les termes lanthanoïde et actinoïde ne sont pas reconnus en français. Ils sont plus connus sous le nom de lanthanides et actinides. En effet, il pourrait y avoir une confusion avec l’utilisation du suffixe –ide entre le nom des familles et les anions en anglais.

D’après l’UICPA, le groupe 12 dans le tableau périodique ne fait pas partie des éléments de transition. Cependant, dans les manuels et ouvrages universitaires, les éléments de ce groupe comptent parmi les métaux de transition.

Familles d’éléments chimiques

Une divergence entre l’UICPA et l’usage des chimistes se pose sur les définitions des noms de familles des éléments chimiques. Cependant, en général, dix de ces familles ont été identifiées. Le tableau suivant détaille, dans la première colonne, les noms de familles d’éléments chimiques et, dans la deuxième colonne, les éléments chimiques concernés.

Noms de familles d’éléments chimiques	Éléments chimiques
Famille des métaux alcalins	Lithium, sodium, potassium, rubidium, césium et francium
Famille des métaux alcalino-terreux	Béryllium, magnésium, calcium, strontium, baryum et radium
Famille des lanthanides	Lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, prométhium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium et lutécium
Famille des actinides	Actinium, thorium, protactinium, uranium, neptunium, plutonium, américium, curium, berkélium, californium, einsteinium, fermium, mendélévium, nobélium et lawrencium
Famille des métaux de transition	Scandium, titane, vanadium, chrome, manganèse, fer, cobalt, nickel, cuivre, yttrium, zirconium, niobium, molybdène, technétium, ruthénium, rhodium, palladium, argent, hafnium, tantale, tungstène, rhénium, osmium, iridium, platine, or, rutherfordium, dubnium, seaborgium, bohrium, hassium et copernicium
Famille des métaux pauvres	Aluminium, zinc, gallium, cadmium, indium, étain, mercure, thallium, plomb, bismuth et polonium
Famille des métalloïdes	Bore, silicium, germanium, arsenic, antimoine, tellure et astate
Famille des non-métaux	Hydrogène, carbone, azote, oxygène, phosphore, soufre et sélénium
Famille des halogènes	Fluor, chlore, brome et iode
Famille des gaz nobles	Hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon

Les éléments chimiques suivants ne font pas partie des familles, car leur nature chimique n’est pas définie :

le meitnérium,
le darmstadtium,
le roentgenium,
le nihonium,
le flérovium,
le moscovium,
le livermorium,
le tennesse,
l’oganesson.

Différence entre familles et groupes d’éléments chimiques

Il ne faut pas confondre les familles d’éléments chimiques et les groupes du tableau périodique. Les familles sont les éléments qui ont les mêmes propriétés chimiques, tandis que les groupes sont les colonnes du tableau périodique. Les groupes peuvent comprendre des éléments chimiques hypothétiques. Ces derniers sont classés dans les groupes, mais peuvent ne pas appartenir à la même famille. Par exemple, l’hydrogène fait partie du groupe des métaux alcalins, mais ne fait pas partie de la famille des métaux alcalins et est classé parmi les non-métaux. C’est également le cas de l’oganesson. Il est placé dans la 18e colonne du tableau périodique avec le groupe des gaz nobles, mais n’appartient pas à cette famille. En effet, la famille de l’oganesson est indéterminée, car sa nature chimique ne peut être définie.

Variabilité de la définition des familles d’éléments chimiques selon les auteurs

Une famille d’éléments chimiques peut avoir des définitions différentes selon les auteurs. Ceci est illustré par le cas des métaux pauvres et des métalloïdes. Leur identification dépend de leurs propriétés macroscopiques, qui sont ambiguës et dépendent de leurs allotropes.

Dans le cas de l’étain, par exemple, la phase α se caractérise par une structure cubique grise en forme de diamant. Cette étape est stable à basse température et les propriétés métalloïdes de l’étain sont identiques à celles d’un non-métal. Pendant la phase β, l’étain prend une structure tétragonale blanche. Dans ce cas, il possède les propriétés d’un métal pauvre. La phase β est stable à une température ambiante, raison pour laquelle l’étain est classé parmi les métaux pauvres.

Cela vaut également pour le sélénium. D’une manière générale, il appartient à la famille des non-métaux. Mais il peut aussi être rangé dans la famille des métalloïdes pour ses propriétés semi-conductrices.

Par rapport aux autres éléments, l’astate est le plus instable. Premièrement, il est impossible de tester ses réactions chimiques. Deuxièmement, ses propriétés physiques sont interpolées et extrapolées avec d’autres éléments chimiques. Par conséquent, l’astate n’est pas visible à l’œil nu. Il est donc classé dans la famille des halogènes par rapport aux éléments du groupe des halogènes. En revanche, il est classé dans la famille des métalloïdes pour ses propriétés physiques métalliques. De ce fait, il peut appartenir à la fois aux halogènes et aux métalloïdes.

Famille des métaux de transition

Les éléments dont les atomes ou les cations sont formés de sous-couches d incomplètes sont classés dans la famille des métaux de transition. Les éléments du groupe 12 : le zinc, le cadmium, le mercure et le copernicium sont classés parmi les métaux de transition. Cependant, ils ont des sous-couches d complètes. L’UICPA ne les considère pas de ce fait comme des métaux de transition.

En ce qui concerne le copernicium, il peut parfois avoir une sous-couche d incomplète lorsque les effets relativistes stabilisent la sous-couche électronique s au détriment de la couche d. Ainsi, l’ion Cn2+ produit une configuration électronique [Rn] 5f14 6d8 7s2 formant une sous-couche 6d incomplète. Le copernicium peut donc être considéré comme un élément de transition.

Famille des non-métaux

Les non-métaux regroupent les éléments chimiques qui ne possèdent aucune des propriétés des métaux ou des métalloïdes. Ils n’appartiennent pas non plus à la famille des halogènes et des gaz nobles. Leurs propriétés physiques sont différentes de celles des métaux, car ils sont de mauvais conducteurs de l’électricité. Mais ils se distinguent par leur ductilité à l’état solide, leur électronégativité élevée, leur rigidité et leurs oxydes acides. Cependant, ils regroupent les principaux éléments chimiques qui constituent les êtres vivants : le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le phosphore et le soufre. Ces six éléments chimiques sont désignés par l’acronyme CHNOPS. Le sélénium a été aussi ajouté à la famille des non-métaux.

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