Famille d'éléments chimiques

Les éléments chimiques sont traditionnellement regroupés en ensembles plus ou moins formels en fonction des propriétés physiques et chimiques de leur corps simple à l'état standard. Certains de ces regroupements répondent à des définitions de l'UICPA, d'autres sont en usage chez les chimistes sans qu'une définition rigoureuse leur soit associée ; la liste des éléments qui les compose peut donc varier d'une source à l'autre.

Regroupements définis par l'UICPA

Certaines colonnes du tableau périodique des éléments, appelées groupes, ont reçu des noms standard, dont certains sont toujours en usage tandis que d'autres sont tombés en désuétude — surtout en français, où l'on tend plutôt à désigner les groupes par leur numéro dans le tableau périodique plutôt que par leur nom. L'UICPA a défini certains de ces noms, ainsi que d'autres regroupements d'éléments chimiques, résumés dans le tableau ci-dessous[1] :

Nom du regroupement	Éléments chimiques concernés
Métaux alcalins	Éléments du groupe 1 du tableau périodique hormis l'hydrogène
Métaux alcalino-terreux	Éléments du groupe 2 du tableau périodique
Pnictogènes	Éléments du groupe 15 du tableau périodique
Chalcogènes	Éléments du groupe 16 du tableau périodique
Halogènes	Éléments du groupe 17 du tableau périodique
Gaz nobles	Éléments du groupe 18 du tableau périodique
Lanthanoïdes	Plus connus sous le nom de lanthanides, regroupant les éléments de numéro atomique allant de 57 à 71
Actinoïdes	Plus connus sous le nom d'actinides, regroupant les éléments de numéro atomique allant de 89 à 103
Terres rares	Scandium, yttrium et lanthanides
Éléments de transition	Définition de l'UICPA[2] : « élément chimique dont les atomes ont une sous-couche électronique d incomplète, ou qui peuvent former des cations dont la sous-couche électronique d est incomplète. »

Regroupements informels

Bien d'autres regroupements d'éléments chimiques sont en usage chez les chimistes et les physiciens des matériaux. On peut retenir par exemple les métaux, les métaux vrais (alcalins et alcalino-terreux, correspondant aux groupes 1 et 2 du tableau périodique), les métaux réfractaires, les métaux nobles, les platinoïdes (groupe du platine), les métaux lourds (techniquement appelés éléments-trace métalliques), les métaux de transition interne (lanthanides et actinides), les métalloïdes, les métaux pauvres, les non-métaux, les transuraniens, les transactinides, ou encore les superactinides. D'autres disciplines ont défini leurs propres typologies d'éléments chimiques, comme la classification géochimique des éléments, qui distingue les lithophiles, les sidérophiles, les chalcophiles et les atmophiles.

L'usage des chimistes ne suit pas nécessairement les recommandations de l'UICPA. Ainsi, la terminologie préconisée lanthanoïde et actinoïde n'est généralement pas employée, surtout en français, où l'on préfère les termes lanthanides et actinides ; l'origine de cette recommandation de l'UICPA provient de la confusion, en anglais, entre le suffixe -ide de ces familles d'éléments et le suffixe -ide propre aux anions en anglais (chloride pour chlorure, sulfide pour sulfure, etc.). De même, la définition des éléments de transition par l'UICPA exclut clairement le groupe 12, qui est pourtant très majoritairement inclus parmi les métaux de transition dans la plupart des manuels et des ouvrages universitaires.

Familles d'éléments chimiques

Parmi toutes ces définitions et ces usages, qui peuvent parfois être incohérents entre eux, le consensus sur Wikipédia en français a retenu dix familles d'éléments chimiques, dont la définition n'a aucune prétention à l'universalité. Ce sont :

la famille des métaux alcalins, regroupant le lithium, le sodium, le potassium, le rubidium, le césium et le francium ;
la famille des métaux alcalino-terreux, regroupant le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum et le radium ;
la famille des lanthanides, regroupant le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le prométhium, le samarium, l'europium, le gadolinium, le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium, l'ytterbium et le lutécium ;
la famille des actinides, regroupant l'actinium, le thorium, le protactinium, l'uranium, le neptunium, le plutonium, l'américium, le curium, le berkélium, le californium, l'einsteinium, le fermium, le mendélévium, le nobélium et le lawrencium ;
la famille des métaux de transition, regroupant le scandium, le titane, le vanadium, le chrome, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, l'yttrium, le zirconium, le niobium, le molybdène, le technétium, le ruthénium, le rhodium, le palladium, l'argent, l'hafnium, le tantale, le tungstène, le rhénium, l'osmium, l'iridium, le platine, l'or, le rutherfordium, le dubnium, le seaborgium, le bohrium, le hassium et le copernicium ;
la famille des métaux pauvres, regroupant l'aluminium, le zinc, le gallium, le cadmium, l'indium, l'étain, le mercure, le thallium, le plomb, le bismuth et le polonium ;
la famille des métalloïdes, regroupant le bore, le silicium, le germanium, l'arsenic, l'antimoine, le tellure et l'astate ;
la famille des non-métaux, regroupant l'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, le phosphore, le soufre et le sélénium ;
la famille des halogènes, regroupant le fluor, le chlore, le brome et l'iode ;
la famille des gaz nobles, regroupant l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon et le radon.

Les éléments dont la nature chimique est inconnue ne sont rangés dans aucune des dix familles définies ci-dessus : ce sont le meitnérium, le darmstadtium, le roentgenium, le nihonium, le flérovium, le moscovium, le livermorium, le tennesse et l'oganesson.

Différence entre familles et groupes

Les familles retenues ici, si elles sont parfois homonymes d'un groupe du tableau périodique au sens de l'UICPA, ne sont cependant pas synonymes de ces groupes. En effet, les groupes sont les colonnes du tableau périodique, susceptibles par exemple de recevoir des éléments chimiques hypothétiques, comme ceux de la 8^e période. Ainsi, l'élément 119 et l'élément 120 sont, par définition, des éléments des groupes 1 et 2 respectivement, mais ne sont pas pour autant un métal alcalin et un métal alcalino-terreux : leurs propriétés chimiques n'étant pas connues, puisqu'ils n'ont jamais été observés, ils ne peuvent être rangés dans une famille d'éléments chimiques. Par ailleurs, l'hydrogène appartient au groupe des métaux alcalins, mais pas à la famille des métaux alcalins : on le range dans la famille des non-métaux. De la même façon, l'oganesson appartient au groupe des gaz nobles car il est situé dans la 18^e colonne du tableau périodique, mais pas à la famille des gaz nobles, car sa nature chimique est inconnue[alpha 1], et il n'est donc rangé dans aucune famille.

Variabilité selon les sources

La définition de ces familles peut varier sensiblement selon les auteurs. C'est notamment le cas des métaux pauvres et des métalloïdes, dont l'identification repose sur les propriétés macroscopiques, lesquelles peuvent être ambiguës et dépendre des allotropes considérés.

L'étain, par exemple, présente une phase α grise de structure cubique de type diamant, stable aux basses températures, ayant des propriétés métalloïdes proches d'un non-métal, ainsi qu'une phase β blanche de structure tétragonale ayant les propriétés d'un métal pauvre : cette phase étant stable à température ambiante, l'étain est généralement considéré comme un métal pauvre.

Le sélénium est généralement considéré comme un non-métal, mais peut également être rangé parmi les métalloïdes en raison de ses propriétés semiconductrices.

L'astate est un autre exemple d'élément dont le rangement dans une famille unique est délicat. Extrêmement instable[alpha 2], il n'existe jamais en quantités macroscopiques[alpha 3], de sorte que les réactions chimiques de l'élément pur sont quasiment impossibles à observer, et ses propriétés physiques sont estimées par interpolation et extrapolation à partir d'autres éléments chimiques. Situé dans le groupe des halogènes, les propriétés chimiques de l'astate prolongent partiellement celles de la famille des halogènes — notamment sa chimie organique — tout en rappelant par certains aspects celles des métaux, tandis que ses propriétés physiques seraient davantage métalliques que celles de l'iode, de sorte qu'on le range dans la famille des métalloïdes plutôt que dans celle des halogènes ; en toute rigueur, il conviendrait de le ranger à la fois parmi les halogènes et les métalloïdes.

Cas des éléments de transition

Les éléments du groupe 12 (zinc, cadmium, mercure et copernicium) sont généralement rangés parmi les métaux de transition, bien que l'UICPA les exclue de cette famille. En effet, selon l'UICPA[2], un élément de transition est « un élément chimique dont les atomes ont une sous-couche électronique d incomplète, ou qui peuvent former des cations dont la sous-couche électronique d est incomplète ».

Le copernicium répond peut-être à cette définition en raison d'effets relativistes stabilisant les orbitales 7s au détriment des orbitales 6d : l'ion Cn²⁺ aurait ainsi une configuration [Rn] 7s² 5f¹⁴ 6d⁸, avec par conséquent une sous-couche 6d incomplète ; en solution aqueuse, il serait peut-être à l'état d'oxydation +2, voire +4[4]. En revanche, les trois autres éléments du groupe 12 présentent toujours une sous-couche d complète, de sorte qu'ils ne peuvent être considérés stricto sensu comme des éléments de transition[alpha 4].

Cas des non-métaux

La famille des non-métaux retenue ici est plus restrictive que la définition habituelle des non-métaux, qui englobe tous les éléments chimiques qui ne sont ni des métaux ni des métalloïdes, et inclut donc les halogènes et les gaz nobles. Elle correspond aux éléments parfois désignés collectivement de CHNOPS — notamment dans le domaine de l'exobiologie[8] — c'est-à-dire le carbone C, l'hydrogène H, l'azote N, l'oxygène O, le phosphore P et le soufre S, auxquels on adjoint ici le sélénium Se : ce sont les éléments chimiques constitutifs de la matière organique, parfois également appelés organogènes pour cette raison.

Notes

Il fort peu probable que l'oganesson soit gazeux à l'état standard[3], et il est probablement plus réactif chimiquement que le radon.
Son isotope le plus stable se désintègre avec une période radioactive de 8,1 h.
Une quantité macroscopique d'astate serait vaporisée sous l'effet de la chaleur intense dégagée par la désintégration de cette substance.
L'appartenance formelle du mercure à la famille des métaux de transition pourrait être établie par l'existence d'un composé à l'état d'oxydation supérieur à 2, mobilisant alors au moins un électron de la sous-couche 5d. C'est précisément le cas du fluorure de mercure(IV) HgF₄, à l'état d'oxydation +4, observé en 2007 dans une matrice cryogénique de néon et d'argon à 4 K[5] ; ce composé n'a cependant pas été observé l'année suivante lors d'une expérience semblable[6], tandis que certains auteurs soulignent que, n'étant observable que dans des conditions hors équilibre[7], il serait peu représentatif de la chimie de cet élément, qui devrait par conséquent être considéré comme un métal pauvre.

Références

(en) Union internationale de chimie pure et appliquée, Nomenclature of Inorganic Chemistry : IUPAC Recommendations 2005, Cambridge, RSC–IUPAC, 2005, 366 p. (ISBN 0-85404-438-8, lire en ligne [PDF]), p. 51.
(en) « transition element », IUPAC, Compendium of Chemical Terminology [« Gold Book »], Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, version corrigée en ligne : (2019-), 2^e éd. (ISBN 0-9678550-9-8) :
« Transition element: an element whose atom has an incomplete d sub-shell, or which can give rise to cations with an incomplete d sub-shell. »
(en) Clinton S. Nash, « Atomic and Molecular Properties of Elements 112, 114, and 118 », The Journal of Physical Chemistry A, vol. 109, n^o 15,‎ avril 2005, p. 3493-3500 (PMID 16833687, DOI 10.1021/jp050736o, Bibcode 2005JPCA..109.3493N, lire en ligne)
(en) Darleane C. Hoffman, Diana M. Lee et Valeria Pershina, « Transactinide Elements and Future Elements », The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements,‎ 2011, p. 1652-1752 (ISBN 978-94-007-0210-3, DOI 10.1007/978-94-007-0211-0_14, Bibcode 2011tcot.book.1652H, lire en ligne)
(en) Xuefang Wang, Lester Andrews, Sebastian Riedel et Martin Kaupp, « Mercury Is a Transition Metal: The First Experimental Evidence for HgF₄ », Angewandte Chemie International Edition, vol. 46, n^o 44,‎ 2007, p. 8371-8375 (PMID 17899620, DOI 10.1002/anie.200703710, lire en ligne)
(en) John F. Rooms, Antony V. Wilson, Ian Harvey, Adam J. Bridgemana et Nigel A. Young, « Mercury–fluorine interactions: a matrix isolation investigation of Hg⋯F₂, HgF₂ and HgF₄ in argon matrices », Physical ChemistryChemical Physics, vol. 10, n^o 31,‎ 21 août 2008, p. 4594-4605 (PMID 18665309, DOI 10.1039/B805608K, Bibcode 2008PCCP...10.4594R, lire en ligne)
(en) William B. Jensen, « Is Mercury Now a Transition Element? », Journal of Chemical Education, vol. 85, n^o 9,‎ septembre 2008, p. 1182 (DOI 10.1021/ed085p1182, Bibcode 2008JChEd..85.1182J, lire en ligne)
(en) Emma Newton, Howell G. M. Edwards, David Wynn-Williams et Julian A. Hiscox, « Exobiological prospecting », Astronomy & Geophysics, vol. 41, n^o 5,‎ octobre 2000, p. 28-39 (DOI 10.1046/j.1468-4004.2000.41528.x, Bibcode 2000A&G....41e..28N, lire en ligne)

Métaux alcalins	Métaux alcalino-terreux	Lanthanides	Métaux de transition	Métaux pauvres	Métalloïdes	Non-métaux	Halogènes	Gaz nobles	Éléments non classés
		Actinides
		Superactinides

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