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'IUPAC, 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'IUPAC

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'IUPAC 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'IUPAC^[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'IUPAC. 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'IUPAC 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'IUPAC 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.

Particularités

Les familles retenues ici, si elles sont parfois homonymes d'un groupe du tableau périodique au sens de l'IUPAC, ne sont cependant pas synonymes de ces groupes. En effet, les groupes sont les colonnes du tableau périodique, susceptibles de recevoir des éléments chimiques hypothétiques, par exemple ceux de la 8^e période. Ainsi, l'élément 119 et l'élément 120 sont des éléments des groupes 1 et 2 respectivement, mais ne sont pas pour autant respectivement un métal alcalin et un métal alcalino-terreux, car leurs propriétés chimiques ne sont pas connues, puisqu'ils n'ont jamais été observés. De même, l'oganesson appartient au groupe des gaz nobles car il est situé dans la 18^e colonne du tableau périodique, mais n'appartient pas à la famille des gaz nobles, car sa nature chimique est inconnue ; l'astate appartient au groupe des halogènes, mais appartient plutôt à la famille des métalloïdes, en raison de ses propriétés macroscopiques extrapolées à partir des rares échantillons de cet élément très radioactif.

La définition de ces familles n'est en aucun cas universelle, et peut varier sensiblement selon les auteurs. C'est notamment le cas des métaux pauvres et des métalloïdes, reposant sur les propriétés macroscopiques de ces éléments, lesquelles sont parfois ambiguës, et dépendantes des allotropes de ces éléments. Dans le cas de l'étain, par exemple, la phase α grise de structure cubique de type diamant, stable aux basses températures, présente des propriétés métalloïdes proches d'un non-métal, et, d'autre part, une phase β blanche de structure tétragonale, dont les propriétés sont celles d'un métal pauvre ; cette phase étant stable à température ambiante, l'étain est généralement considéré comme un métal pauvre.

Les éléments du groupe 12 (zinc, cadmium, mercure et copernicium) sont généralement rangés parmi les métaux de transition, bien que l'IUPAC les excluent de cette famille. En effet, selon l'IUPAC^[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] 5f¹⁴ 6d⁸ 7s², avec par conséquent une sous-couche 6d incomplète ; en solution aqueuse, il serait peut-être à l'état d'oxydation +2, voire +4^[3]. 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^[a].

Regroupements définis par l'IUPAC

Regroupements informels

Familles d'éléments chimiques

Particularités

Notes

Références