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Le seul tableau de Dimitri Ivanovitch Mendeleïev

Extrait du journal Archimède
Les cahiers scientifiques de l'Université des Sciences et Technologies de Lille,
«La chimie à l'honneur», octobre 1998

Impossible d'ignorer l'œuvre de Dimitri Ivanovitch MENDELEIEV : on dirait les débuts du cubisme, ...en fait ce sont peut-être ceux de la structure atomique moderne!

Classification, disiez-vous?

L'observation de la diversité des êtres et des objets ne va pas, chez l'homme, sans l'envie de découvrir une organisation universelle sous-jacente. Ainsi, depuis des siècles, il aspire à une description simple de la matière qui l'environne et le compose. Dès le Ve siècle avant Jésus-Christ, Leucippe, un philosophe grec, voulait expliquer le monde par l'existence des atomes et du vide pour tenter d'échapper aux angoisses de l'au-delà et autres tourments de la superstition. Les atomes (du grec atomos, «indivisible») étaient censés être de petites unités de matière, éternelles, pleines, solides et en nombre illimité. Toujours agités de mouvements rapides, ils auraient formé, par leurs chocs mutuels, des agrégats différenciés selon leur ordre et leur position respective, comme les lettres composent des mots. Mais, finalement établie au XXe siècle, la réalité atomique se trouve être plutôt complexe, l'atome n'ayant quasiment aucune des qualités qui lui avait été attribuées.

Bien avant que la physique quantique parvienne à établir ce fait, Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV avait produit une classification des éléments chimiques qui fonctionne encore, curieusement accordée à la structure de l'atome telle qu'elle est présentée aujourd'hui. Né en Sibérie en 1834, ayant reçu ses premières connaissances d'un exilé politique, il obtint en 1856 un doctorat de chimie qui avait pour sujet «L'union de l'alcool et de l'eau»! Nommé professeur à l'Université de St-Pétersbourg en 1867, et entreprenant la rédaction d'un ouvrage de chimie pour faciliter le travail de ses étudiants, il eut l'idée de structurer une classification des éléments d'après leur masse atomique. En réalité, il n'était pas le premier à y songer; lors de «l'explosion démographique» des éléments au XIXe siècle, les chimistes ont redoublé d'efforts pour les ordonner.

C'est Johann DOBEREINER, un chimiste russe, qui a établi le premier, en 1817, un rapport entre la masse atomique des éléments et leurs propriétés. Il envisageait l'existence de «triades» d'éléments comparables tels que le chlore, le brome et l'iode, constatant que la masse atomique du deuxième élément était intermédiaire par rapport à celle des deux autres. Mais il faut attendre 1865, et le chimiste britannique John Alexander NEWLANDS pour que celui-ci mette en évidence une certaine répétition dans les propriétés des éléments. Il propose très poétiquement une loi des octaves ; «...le huitième élément qui suit un élément donné ressemble au premier comme la huitième note de l'octave ressemble à la première...». Mais la proposition n'est pas retenue par les savants qui la jugent fantaisiste. Le verdict est similaire pour la «vis tellurique» présentée par Alex BEGUYER de CHANCOURTOIS. Il s'agit d'une hélice portant sur son axe vertical la suite des nombres entiers qui correspond aux poids atomiques des éléments. Son «inventeur» l'a nommée telle en raison de la place centrale du Tellure dans le système. Cependant, elle mêle des corps simples et des corps composés, la représentation graphique est compliquée, et A. BEGUYER de CHANCOURTOIS, l'un des rares français a apparaître dans l'aventure de la classification, ne laisse pas de trace marquante. Mais, en 1869, Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV va définir une classification cohérente des éléments qu'il deviendra difficile de réfuter.

Classification, sûrement et...inspiration!

Étudiant les 63 éléments chimiques connus à l'époque, le savant prend soudain conscience qu'en les rangeant selon leur masse atomique croissante, se dessine une nette périodicité concernant leurs propriétés. Pour mettre en évidence cette dernière, il choisit de ranger les 63 éléments verticalement en fonction de leur masse atomique croissante, changeant de colonne quand des propriétés particulières réapparaissent (le tableau publié par Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV en 1869 est donc construit à partir d'un système ligne/colonne inversé par rapport à celui qui est utilisé actuellement). Pour respecter la loi périodique qu'il a ainsi mise en place, et à laquelle il est particulièrement attaché en vertu de l'universalité qu'il lui prête, il laisse même certaines cases vides tout en prédisant les propriétés des éléments manquants grâce à celles de leurs voisins. La classification de MENDELEÏEV a naturellement été controversée, mais lorsque ces éléments furent découverts (scandium, gallium, germanium, technétium, rhénium et polonium entre autres), présentant des propriétés proches de celles qu'avait prévues le savant, l'exactitude et l'utilité du tableau ont été définitivement reconnues.

La seule occasion de modification notable du tableau fut la découverte du physicien anglais, Henry MOSELEY, en 1914. Il réussit à déterminer le nombre d'électrons de chaque élément grâce à l'utilisation de rayons X, ce qui a conduit à établir que la structure atomique serait une base de classification particulièrement appropriée. En particulier, les difficultés liées au classement des isotopes, non décelées par Mendeleïev, peuvent être évitées.

Dorénavant, les éléments sont donc classés en fonction de leurs numéros atomiques croissants, ce qui correspond à un nombre croissant de protons dans le noyau et, chaque atome étant globalement neutre, à un nombre égal d'électrons. Compte tenu des modifications entraînées (quelques inversions), on retrouve la même périodicité concernant les propriétés des éléments. En 1945, mettant un point final à la longue histoire d'une classification réussie, c'est Glenn T. SEABORG, un chimiste américain, qui a défini la disposition actuelle du tableau. Elle est caractérisée par des rangées horizontales, les périodes, et des colonnes verticales, les familles chimiques.

Pour les éléments, l'histoire se poursuit...

Le pluriel latin elementa désignait initialement le feu, l'air, l'eau et la terre, communément considérés comme les quatre constituants de la matière jusqu'au XVIIIe siècle. Antoine de LAVOISIER montre alors que l'air n'est pas un corps simple, selon la dénomination de l'époque, puisqu'il est composé d'azote et d'oxygène dans un rapport de 4 pour 1. En 1790, seulement 33 «vrais» corps simples sont recensés. En 1869, quand MENDELEÏEV construit son premier tableau, 63 éléments sont connus, auxquels viennent notamment s'ajouter les gaz rares (hélium, néon, argon,...) en 1895, puis des éléments artificiels, c'est à dire synthétisés par l'homme au cours de réactions nucléaires.

Le concept d'élément, et chacun des éléments, est donc issu d'une longue expérience de fractionnement, d'analyse des substances et même de création. Au XIXe siècle, bien que les chimistes aient beaucoup de peine à isoler certains éléments parce que les rares réactions possibles ne donnent parfois qu'un produit souillé de réactifs et très difficile à purifier, les choses sont simples. Un élément, ou corps simple, est identifié comme «une substance qui résiste à toutes les tentatives de décomposition et de transformation, et qui se conserve à travers toutes les réactions chimiques». Mais la liste s'allonge au cours des ans grâce à des recherches touchant des domaines divers, et utilisant des techniques d'étude de la matière de plus en plus sophistiquées. Les recherches de Pierre et Marie CURIE sur la radioactivité aboutissent à la découverte du radium en 1898, et montrent qu'un élément peut se transformer en un autre. Puis la découverte du phénomène de fission nucléaire, par lequel un noyau peut se scinder en plusieurs, fait définitivement perdre toute valeur à la définition. La différence que tenait à établir MENDELEÏEV entre un corps simple et un élément prend tout son sens. L'élément, ou constituant élémentaire des corps simples ou composés, se trouve constitué d'atomes, et les principes de la physique quantique prennent tout naturellement leur place.

La classification de MENDELEÏEV perdure, et même les 9 derniers éléments chimiques officiellement baptisés par l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (IUPAC) en août 1997 s'ajoutent au tableau suivant l'organisation prédéfinie par le savant. Il est rare qu'une classification résiste ainsi à l'évolution des connaissances. C'est l'aboutissement exemplaire d'un modèle établi à partir de connaissances partielles, le développement rêvé à l'idée que s'est faite, un jour, un homme de l'ordre des choses. Mais c'est aussi, plus qu'une intuition géniale, l'aventure intellectuelle d'un chimiste du XIXe siècle qui a marqué formellement l'engagement de la science vers des abstractions arides mais riches d'enseignements.

Le tableau périodique actuel

À l'heure actuelle, 109 éléments chimiques figurent officiellement dans le tableau périodique. Les colonnes rassemblent des éléments qui ont le même nombre d'électrons périphériques dans leur atome, donc qui se ressemblent par leur chimie, alors que les comparaisons horizontales s'établissent sur la base d'un nombre de protons (ou électrons) croissants. À noter que dans une seule case sont regroupés tous les isotopes connus d'un même élément, ne différant entre eux que par le nombre de neutrons du noyau.

Aujourd'hui, on sait que le premier des éléments du tableau, l'hydrogène, est le constituant principal de l'univers observable. On peut imaginer que le cœur des étoiles a «œuvré» à partir de cet élément pour en créer d'autres plus lourds.


Trois questions à Michel FOURNIER, professeur de Chimie à l'USTL

1- Pratiquement, comment détermine-t-on la masse atomique d'un élément?

A l'heure actuelle, la spectroscopie de masse (déviation d'une particule électrique par un champ électrique puis magnétique en fonction de sa masse) permet d'obtenir des résultats très précis. Mais à l'époque de MENDELEÏEV, c'était l'un des points essentiels de la controverse concernant la recherche d'une classification pour les éléments. Comme il était absolument impossible de mesurer le poids d'un atome, John DALTON avait construit en 1810 un système de poids atomiques fondé sur le choix de l'hydrogène comme unité conventionnelle (H=1). L'hypothèse, bien que confirmée par des lois sur les gaz, a suscité une grande partie des disputes et des blocages qui expliquent les tâtonnements pour ordonner des éléments dont les masses atomiques étaient plus ou moins exactes. Le fait que certains éléments étaient extrêmement difficiles à purifier chimiquement fait partie du problème. Par exemple, il est significatif que le premier élément pur issu de la colombite, historiquement considérée comme le minerai constitué de l'élément colombium, ait été nommé «Tantale», et le second «Niobium» (de Niobe, fille de tantale) pour rappeler ce «supplice de purification»! Actuellement, la masse atomique s'exprime en uma (unité de masse atomique), avec pour référence le carbone (C=12). Seuls les biologistes expriment la masse atomique en Dalton!

2- Quelle a été, et est encore, l'importance du tableau périodique?

Tout d'abord, il est réconfortant de constater que l'exercice d'un professeur relatif à la rédaction d'un manuel pour aider ses étudiants, peut passer à la postérité. Alors que de nombreux chimistes d'envergure s'intéressaient à la question, c'est ce système de classification qui s'est trouvé correspondre à une réalité que l'on ignorait encore. Les cases vides, complétées par la suite conformément aux prévisions de MENDELEÏEV, ont littéralement fasciné ses collègues qui se sont appliqués, dès lors, à insérer de nouveaux éléments pourtant difficiles, à priori, à intégrer. C'est notamment le cas des lanthanides, cette série d'éléments très voisins par leurs poids atomiques et leurs propriétés chimiques. Au nombre de 14, ils suivent le lanthane et la série a été finalement placée en périphérie du tableau comme un tiroir secret que l'on hésite à ouvrir! Il en sera de même, par la suite, pour les actinides.

Ainsi, le tableau de MENDELEÏEV, c'est à la fois une réponse au problème spécifique de la chimie du XIXe siècle qui recherche une «systématique» des éléments, et un référentiel solide pour toutes les découvertes à venir de la chimie, mais aussi de la physique! Presque toutes les nouveautés sont liées à l'étude d'un élément donné, et de ses combinaisons, dont on met en évidence les propriétés inédites; la radioactivité et l'isolement du radium par Marie CURIE, la fission nucléaire et la scission du noyau d'uranium en 2 noyaux de baryum et de krypton, en sont des exemples.

3- Est-ce-qu'il existe des limites à la découverte d'éléments nouveaux?

Avec nos modèles actuels, à priori aucune. À ce sujet, on parle beaucoup des éléments superlourds. Au-delà des éléments les plus lourds actuellement connus (ceux qui se trouvent après l'uranium), dont la durée de vie est extrêmement courte (quelques millisecondes), on prévoit une zone dite «îlot de stabilité», dans laquelle se situeraient des éléments dont la durée de vie serait comprise entre quelques minutes et quelques millions d'années! C'est la recherche, par les physiciens, de ce que l'on pourrait appeler le tableau dans le tableau: parallèlement à l'augmentation des électrons autour du noyau, on assiste à l'augmentation des nucléons (protons et neutrons) au sein de celui-ci. Et, comme pour les électrons, il est possible d'imaginer une répartition ordonnée par couches successives donnant lieu à des états stables et instables du noyau. Si la production de ces «hypothétiques» éléments superlourds stables est réalisée un jour, il est indubitable que l'étude de leurs propriétés chimiques sera d'un intérêt considérable, prolongeant l'aventure que représente l'établissement et le maintien du tableau de MENDELEÏEV.




L'atome
Il est courant de représenter l'atome d'hydrogène, le plus simple de tous, comme le tourbillon d'un électron autour d'un proton sous l'effet de la force électrique attractive qui les lie (force de Coulomb). En effet, l'électron est chargé négativement alors que le proton est chargé positivement. En réalité, les choses ne sont pas si simples. En fait, l'électron en mouvement autour du proton devrait émettre un rayonnement électromagnétique et perdre de l'énergie. Ainsi freiné, il se devrait donc de tomber en une fraction de seconde sur le noyau. Ce n'est pas le cas puisque l'atome est stable! La physique quantique nous apprend que les électrons n'ont pas de trajectoire bien définie mais une certaine probabilité de présence en un point donné, et qu'ils ne peuvent exister que dans certains états particuliers caractérisés par leur énergie (états quantiques). On parle d'ailleurs de niveaux d'énergie. Finalement, l'atome moderne échappe totalement aux représentations imagées. La seule description admissible est celle qui se donne en termes de symboles mathématiques. Si nous y perdons une représentation claire de l'atome, nous y avons beaucoup gagné en compréhension du monde physique.

Autres textes du site Carrefour atomique donnant des informations sur Mendeleïev et le tableau périodique:



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Auteure du texte : Catherine Lefrançois avec la collaboration de chimistes de l'Université des Sciences et Technologies de Lille (USTL), dont Michel Fournier; document publié avec la permission de l'auteure.

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Page mise à jour : le 17 février 2002