L’histoire du tableau périodique : de l’alchimie à l’élément 118

Les éléments de l’Antiquité et l’alchimie

Dix des éléments actuels étaient connus bien avant que quiconque n’emploie le mot élément dans son sens moderne : l’or, l’argent, le cuivre, le fer, l’étain, le plomb, le mercure, le soufre, le carbone et l’antimoine. Personne ne sait qui les a découverts en premier. Les penseurs de la Grèce antique, à la suite d’Empédocle et d’Aristote, croyaient plutôt que tout était un mélange de quatre éléments (la terre, l’eau, l’air et le feu), une idée qui a duré près de deux mille ans.

Les alchimistes du monde islamique et de l’Europe médiévale ont tenté de transformer des métaux bon marché en or. Ils ont échoué, mais ils ont perfectionné des méthodes de laboratoire comme la distillation. En 1661, Robert Boyle a remis en cause la théorie des quatre éléments dans Le Chimiste sceptique, exhortant les chimistes à faire confiance aux expériences, et en 1669, l’alchimiste Hennig Brand a découvert le phosphore en cherchant la pierre philosophale, l’un des premiers éléments dont on connaisse le découvreur.

La liste des substances simples de Lavoisier (1789)

La chimie moderne a pris forme avec le chimiste français Antoine Lavoisier, qui a montré par des pesées minutieuses que la masse ne se perd pas lors des réactions chimiques et qui a donné leur nom à l’oxygène et à l’hydrogène. Dans son Traité élémentaire de chimie de 1789, il a défini un élément en termes pratiques : une substance qu’aucune méthode chimique connue ne pouvait décomposer en quelque chose de plus simple.

Le livre énumérait 33 de ces « substances simples », classées en gaz, non-métaux, métaux et terres. La plupart étaient de véritables éléments, mais la lumière et la chaleur figuraient aussi sur la liste, et des terres comme la chaux et la silice se sont révélées plus tard être des composés. Malgré cela, Lavoisier a donné aux chimistes une définition claire et vérifiable de l’élément, ainsi qu’une première liste sur laquelle s’appuyer.

Dalton et la pesée des atomes

Vers 1803, l’enseignant anglais John Dalton a proposé que chaque élément soit constitué de son propre type d’atome, avec sa propre masse. Les atomes étaient bien trop petits pour être pesés ; il a donc déduit des masses relatives à partir des proportions dans lesquelles les éléments se combinent, en prenant l’hydrogène pour 1, et il a publié l’un des premiers tableaux de masses atomiques.

Beaucoup des valeurs de Dalton étaient inexactes parce qu’il devait deviner les formules ; il supposait par exemple que l’eau était HO plutôt que H₂O. Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius a mesuré les masses atomiques avec beaucoup plus de précision et a introduit les symboles littéraux encore utilisés aujourd’hui, mais les désaccords ont persisté jusqu’au congrès de Karlsruhe de 1860, où Stanislao Cannizzaro a montré comment obtenir un ensemble cohérent de masses atomiques. Mendeleïev et Lothar Meyer étaient tous deux dans l’assistance.

Les triades de Döbereiner (1829)

L’un des premiers indices nets d’un lien entre la masse atomique et le comportement chimique est venu du chimiste allemand Johann Wolfgang Döbereiner. En 1829, il a décrit des triades, des groupes de trois éléments semblables dans lesquels la masse atomique de l’élément du milieu est proche de la moyenne des deux autres : le calcium, le strontium et le baryum ; le chlore, le brome et l’iode ; et le lithium, le sodium et le potassium.

Les triades ont révélé des familles naturelles d’éléments, mais seule une poignée d’éléments y entraient, et il n’existait aucun moyen de relier une triade à la suivante.

Une spirale et une octave (1862–1865)

En 1862, le géologue français Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois a inscrit les éléments par ordre de masse atomique le long d’une spirale enroulée autour d’un cylindre, de sorte que les éléments semblables s’alignaient les uns au-dessus des autres. Sa vis tellurique, nommée d’après le tellure, a été l’une des premières dispositions à montrer la répétition des propriétés, mais elle a été publiée sans son schéma et est restée largement inaperçue.

En 1865, le chimiste anglais John Newlands a remarqué que, classés par masse atomique, un élément sur huit semblait reprendre les propriétés du premier, comme les notes d’une gamme musicale. Sa loi des octaves fonctionnait pour les éléments légers, mais elle cessait de s’appliquer après le calcium, et en 1866 la Chemical Society de Londres a refusé de la publier.

Mendeleïev et Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitri Mendeleïev, professeur de chimie à Saint-Pétersbourg, rédigeait un manuel lorsqu’il s’est mis en quête de l’ordre qui sous-tend les éléments. Début 1869, il a disposé les éléments alors connus selon leur masse atomique dans une grille qui alignait les éléments semblables, et en mars son mémoire a été présenté à la Société chimique russe. Il y énonçait une loi périodique : classés par masse atomique, les éléments présentent des propriétés qui se répètent à intervalles réguliers.

Ce qui distinguait son tableau, c’était son audace. Mendeleïev a placé la chimie avant l’ordre strict des masses, a laissé des cases vides pour des éléments qu’il croyait encore inconnus et a soutenu que certaines masses atomiques admises étaient erronées.

En Allemagne, Lothar Meyer est parvenu de façon indépendante à un tableau très semblable et l’a publié en 1870, accompagné d’un graphique montrant le volume atomique qui monte et descend en vagues à mesure que la masse atomique augmente. En 1882, la Royal Society de Londres a décerné sa médaille Davy aux deux hommes.

Des prédictions confirmées (1875–1886)

Mendeleïev a décrit en détail trois éléments manquants, qu’il a appelés éka-aluminium, éka-bore et éka-silicium, du sanskrit éka, qui signifie « un », pour une place au-delà d’un élément connu. Ils sont apparus sous les noms de gallium, découvert par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, de scandium, découvert par Lars Fredrik Nilson en 1879, et de germanium, découvert par Clemens Winkler en 1886.

Les concordances étaient frappantes. Pour l’éka-silicium, Mendeleïev avait prévu une masse atomique d’environ 72 et une masse volumique d’environ 5,5 grammes par centimètre cube ; celles du germanium sont de 72,6 et 5,3. Les sceptiques ont été convaincus, et le tableau périodique est devenu la carte centrale de la chimie.

Les gaz nobles trouvent leur place (années 1890)

En 1894, Lord Rayleigh et William Ramsay ont découvert l’argon, un gaz inerte caché dans l’air ordinaire. En 1898, Ramsay avait aussi isolé l’hélium sur Terre et, avec Morris Travers, découvert le néon, le krypton et le xénon ; le radon a suivi en 1899 et 1900. Aucun de ces gaz ne trouvait sa place dans une colonne existante.

La réponse a été un tout nouveau groupe situé entre les halogènes et les métaux alcalins, d’abord appelé groupe 0 et aujourd’hui groupe 18. Il s’intégrait parfaitement au schéma périodique, et en 1904 Ramsay a reçu le prix Nobel de chimie et Rayleigh le prix Nobel de physique.

Moseley et le numéro atomique (1913)

Quelques paires d’éléments, comme l’argon et le potassium ou le cobalt et le nickel, restaient dans le désordre par rapport à la masse. En 1913, le jeune physicien anglais Henry Moseley, qui travaillait dans le laboratoire d’Ernest Rutherford à Manchester, a mesuré les rayons X émis par différents éléments et a constaté que leurs fréquences augmentaient par paliers réguliers d’un élément au suivant.

Chaque palier correspondait à une unité de charge positive supplémentaire dans le noyau de l’atome. Ce numéro atomique est devenu le véritable fondement du tableau et a montré exactement quels éléments manquaient encore. Moseley est mort au combat à Gallipoli en 1915, à l’âge de 27 ans.

Seaborg, les actinides et les éléments superlourds (1940–2016)

Les scientifiques ont aussi appris à fabriquer des éléments extrêmement rares ou absents dans la nature. Le technétium, obtenu en 1937, a été le premier élément produit artificiellement, et en 1940 le neptunium et le plutonium sont devenus les premiers éléments au-delà de l’uranium. En 1944, Glenn Seaborg a proposé que les éléments à partir de l’actinium forment leur propre série, les actinides, un peu comme les lanthanides. Publiée en 1945, cette idée les a déplacés dans une rangée séparée sous le tableau principal et a donné au tableau sa forme moderne.

Depuis, des laboratoires aux États-Unis, en Union soviétique puis en Russie, en Allemagne et au Japon ont fabriqué des éléments de plus en plus lourds, souvent seulement quelques atomes à la fois, en fusionnant des noyaux atomiques. Un groupe de travail conjoint de l’UICPA et de l’UIPPA, les unions internationales de chimie et de physique, examine désormais chaque revendication. En 2016, les quatre derniers éléments confirmés ont été nommés nihonium, moscovium, tennesse et oganesson, ce qui a complété la septième période. La recherche des éléments 119 et 120, qui ouvriraient une huitième période, se poursuit.