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jeudi 26 septembre 2019

Le tableau périodique des éléments, l’invention inoxydable de Dmitri Mendeleïev, par David Larousserie | Le Monde 17 septembre 2019

Atomes, portraits de familles (1/9). En 1869, le chimiste russe proposait un mode de classement des corps chimiques. Son invention, qui fête ses 150 ans, a résisté au temps, s’adaptant aux percées de la physique et de la chimie.

Le chimiste russe Dmitri Mendeleïev est
l’inventeur du tableau périodique des éléments,
encore utilisé aujourd’hui, 150 après sa création.
Il s’affiche dans les salles de classe. Il se décline en poster, puzzle, ou mug… Il est dans les mémoires des calculatrices des lycéens, qui n’ont plus besoin de retenir des phrases aussi tordues que Napoléon Mangea Allégrement Six Poulets Sans Claquer d’Argent.

« Il » est le célèbre tableau périodique des éléments chimiques du Russe Dmitri Mendeleïev (1834-1907) dont on fête les 150 ans de la parution et dont l’Unesco a fait sa vedette internationale pour l’année 2019. 

Il recense la totalité des 118 atomes connus et aide le chimiste à se repérer dans cette profusion par une organisation stricte et esthétique.

Il peut impressionner, avec toutes ses cases et ses faux airs de château fort à deux tours, reliées par un large mur, « protégé » par une enceinte avancée. Chacune de ses pierres est un atome, avec son nom, son symbole et deux chiffres. Le premier, un nombre entier, ordonne l’ensemble en fonction de la quantité de protons contenus dans le noyau, égal au nombre d’électrons de l’atome. Le second, plus gros et à virgule, donne la masse de l’atome le plus stable en tenant compte du nombre de neutrons dans le noyau.




Ce tableau est qualifié de « périodique », car, à chaque saut de ligne, des propriétés identiques se répètent. Autrement dit, dans chaque colonne, les atomes se ressemblent chimiquement. Tout à droite, néon, argon et krypton, les uns sur les autres, sont des gaz peu réactifs. A l’opposé, lithium, sodium ou potassium sont très réactifs avec l’eau, comme les pêcheurs à l’explosif le savent bien. Au milieu, beaucoup de métaux, durs, souvent brillants.

« Cette capacité à repérer des propriétés voisines reste utilisée aujourd’hui. Les chimistes ont par exemple conçu de nouveaux matériaux supraconducteurs en substituant des atomes par des voisins dans le tableau », rappelle Eric Scerri, qui enseigne la chimie et son histoire à l’université de Californie, à Los Angeles.

Résistance au temps

Une autre de ses propriétés remarquables est d’avoir résisté au temps. A l’époque du chimiste russe, il n’y avait que 63 pierres à l’édifice. Soit tout de même le double de l’époque de Lavoisier, un siècle plus tôt, qui ne connaissait pas le fluor, le lithium, l’aluminium ou le silicium. Puis après Mendeleïev, 55 nouveaux atomes ont été découverts, dont les néon, krypton, radon ou curium… et ont trouvé leur place dans cet objet forgé bien plus tôt.

« L’ironie de l’histoire est qu’à la fin de sa vie Mendeleïev ne croyait pas aux atomes ni à la radioactivité, comme beaucoup de chimistes de l’époque, d’ailleurs ! », remarque Eric Scerri, auteur du Tableau périodique. Son histoire et sa signification (EDP Sciences, 2011). La preuve de l’existence des atomes sera apportée par Jean Perrin et Albert Einstein, quarante ans après l’ébauche du fameux tableau, en même temps qu’Ernst Rutherford en dévoilait la structure faite d’électrons orbitant autour d’un noyau.

A l’origine, Mendeleïev n’avait d’ailleurs tracé que huit « colonnes », classant les éléments selon leur masse et pas selon le nombre de protons comme aujourd’hui.

La vraie force de l’invention du chimiste russe a été de prédire l’existence de nouveaux atomes. La nature ayant horreur du vide et la proposition initiale laissant des places vacantes, les chimistes les ont remplies. Au premier rang desquels Mendeleïev lui-même, qui postule l’existence d’analogues de l’aluminium ou du silicium… qui furent en effet découverts et baptisés gallium et germanium. « Son nom a été cité deux fois pour le Nobel, mais il aurait été empêché par Svante Arrhenius, un chimiste suédois, avec qui il était en controverse scientifique », signale Eric Scerri.

Pour ce dernier, l’invention du Russe reste majeure. « En philosophie des sciences, la chimie a longtemps été négligée par rapport à la physique car, prétendument, cette discipline manquait de grandes idées. Or, le tableau de Mendeleïev et le concept de liaison chimique sont bien de grandes idées », indique celui qui a contribué au développement d’une philosophie de la chimie depuis une vingtaine d’années.

Lire aussi  La chimie, au cœur d’une histoire des sciences renouvelée

Régulièrement mis à jour

En outre, les vieilles pierres du château sont toujours bien vivantes. D’abord, certains proposent régulièrement de nouvelles versions du vénérable tableau. « J’en compte 1 000, dépendant des propriétés que l’on veut souligner », recense Eric Scerri. Ensuite, sa taille pourrait changer, pour passer de 32 à 50 colonnes, si de gros noyaux venaient à être fabriqués au-delà du dernier connu, l’oganesson. Enfin, il est régulièrement mis à jour – la dernière fois en décembre 2018, pour préciser la masse de l’argon –, et surtout il fait toujours débat. Où mettre l’hélium ? Au-dessus du béryllium et du magnésium, car il a deux électrons en périphérie comme eux, ou dans la colonne des gaz nobles, car il est inerte ? Le lutécium et le lawrencium doivent-ils rejoindre la colonne du scandium et de l’yttrium, et quitter le bloc de deux lignes supplémentaires devant le château ?

C’est comme s’il y persistait une bataille pour savoir qui des physiciens ou des chimistes « possèdent » le tableau. Les premiers s’attachant à la répartition des électrons, prévue par la mécanique quantique, et les seconds privilégiant les propriétés des éléments. En tout cas, ce n’est que l’un des problèmes non résolus concernant cette vieille invention.

C’est ce tableau vivant que, dans les prochaines semaines, Le Monde propose de visiter, en y picorant quelques éléments.

Pour en savoir plus : « Voyage au cœur des éléments chimiques », de Benjamin Lachaud (Ellipses, 240 p., 23 €) ; « Atomes », de Theodore Gray (Place des Victoires, 2014) ; « Guerres et paix chez les atomes », de Sam Kean (JC Lattès, 2011) ; « Le Tableau périodique. Son histoire et sa signification », d’Eric Scerri (EDP Sciences, 2011).

David Larousserie

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