La Table périodique des éléments
Publié le 17/09/2013
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En analysant les ingrédients du sol, de l'eau et de l'air, les chimistes ont peu à peu cerné un nombre fini d'éléments : dès le xixe siècle on en dénombrait une soixantaine. En les classant par ordre croissant de masse, on obtient un tableau chimique des plus instructifs, appelé table périodique des éléments.
D
e tout temps, les hommes se sont interrogés sur la nature de la matière, tant sur la taille de ses éléments constitutifs que sur le mécanisme de ses transformations d'un état à un autre. Les premiers philosophes grecs, comme Empédocle d'Agrigente, ont présupposé que toutes les matières étaient constituées de quatre éléments fondamentaux, mélangés en propor¬tions variables: la terre, l'air, l'eau et le feu.
Au fil des siècles l'étude de la matière pro-gressa sensiblement. Les alchimistes du Moyen Age reconnurent les propriétés originales de métaux, tels que l'or, l'argent, le cuivre, le fer et le plomb, ainsi que celles de deux éléments inso¬lites, le mercure, apparemment un métal liquide, et le soufre, non métallique, mais intervenant dans de nombreuses réactions en dégageant du feu et de l'air. Les alchimistes se demandèrent si ces deux éléments insolites n'étaient pas à la base de toutes les formes de la matière, mercure et soufre contenant ensemble «l'essence« du solide et du liquide, de l'air et du feu.
À part les métaux purs les plus connus et les cristaux de pierres précieuses et semi-précieuses, qui intriguaient par leur dureté et leur transpa¬rence (et auxquels on n'hésitait pas à attribuer des vertus magiques), tous les autres solides aux yeux des alchimistes étaient des «terres« qui ren¬fermaient les principaux éléments de base en proportions variables.
Les liquides et les gaz
Quant aux liquides, ils concernaient une gamme encore plus restreinte d'éléments de base. Il y avait bien sûr l'eau, qui étonnait par ses pro-priétés: on pouvait y dissoudre des matières solides, ce qui semblait confirmer que l'eau était un élément «pur«. Il y avait aussi l'alcool de vin, obtenu par distillation. Mais comme on y trouvait toujours de l'eau (les méthodes de distillation étant rudimentaires), on considérait cette sub¬stance comme de l'eau renfermant «l'esprit du vin«. De même, vers 1100 ap. J.-C., l'alchimiste arabe al-Jabir obtint en chauffant un mélange de sels et de sulfates un liquide aux propriétés remarquables, mais on le considéra à nouveau comme de l'eau renfermant un «esprit«, de sel. Il s'agissait en fait d'acide chlorhydrique. D'ailleurs l'alcool vinique et chlorhydrique sont vendus sous le nom d'esprit-de-vin et d'esprit-de-sel.
Quant aux divers gaz élémentaires, on en ignorait au Moyen Âge jusqu'à l'existence. Seul l'air était reconnu. Quand par exemple de la
craie était chauffée et transformée en chaux vive, la substance qui s'en dégageait était prise pour de l'air (alors qu'il s'agissait en fait de gaz carbo¬nique). Ce n'est qu'au début du xvir siècle que le chimiste flamand Jan Baptista Van Helmont per¬çut la différence entre ces substances vaporeuses et l'air ambiant et suggéra qu'il y avait là plusieurs sortes d'air, pour lesquelles il proposa le mot «gaz« (dérivé du grec chaos).
Les débuts de la chimie
Dès le xvtir siècle, les chimistes s'écartaient donc de la philosophie de leurs prédécesseurs qui avaient tenté de tout expliquer à partir de quatre,
À La découverte des éléments purs A constituant l'univers fut l'une des grandes aventures de la science. Dès le Moyen Age, les alchimistes, représentés ici par le peintre Joseph Wright, isolèrent un certain nombre de corps purs, comme le phosphore.
voire de deux éléments principaux. Mais à la variété de nouveaux éléments découverts — tant solides et liquides que gazeux — venaient s'ajou¬ter de nouveaux mystères. Pourquoi, s'interro¬geaient les savants, certaines substances chan¬geaient-elles de nature lorsqu'elles étaient chauf¬fées dans de l'air? Il fallut attendre les travaux du chimiste français Antoine Lavoisier (1743-1794), et notamment sa découverte de l'oxygène, pour
«
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réaliser que les changements d'état de certains
corps, lorsqu'ils étaient chauffés dans de l'air,
étaient en fait dus à des recombinaisons avec de
l'oxygène.
On connait désormais ce phénomène
sous le nom d'oxydation.
Entre-temps, les travaux sur la nature de la
matière se précisaient.
En 1811, le chimiste
anglais John Dalton publiait sa théorie sur la
nature atomique de la matière, postulant que les
éléments différaient par leur masse atomique, et
que l'on pouvait les classer selon une échelle de
masse.
La même année, le chimiste italien Ame-
deo Avogadro établissait une formule pour calcu-
ler les masses des atomes, en affirmant que deux
volumes identiques de gaz, quel que soit l'élé-
ment, renferment le même nombre d'atomes: il
suffisait alors de comparer le poids d'un litre
d'azote et d'un litre d'oxygène, par exemple, pour
évaluer les masses de leurs atomes constituants.
Sur cette base, le chimiste suédois Jôns Jacob Ber-
zelius proposa une première table des éléments
en 1828, les arrangeant par ordre de masse crois-
sante à partir du plus léger: l'hydrogène.
La masse des éléments
Des expériences de plus en plus poussées permi-
rent de préciser les masses relatives des éléments,
en prenant surtout pour base l'oxygène qui se
combine à une multitude d'éléments.
Ainsi, dans
la réaction de l'oxygène avec l'hydrogène qui
donne naissance à de l'eau, le chimiste belge
Jean Servais Stas détermina, en mesurant le volu-
me et la masse des deux gaz nécessaires à la
réaction, que l'oxygène est 16 fois plus lourd que
Un alchimiste au
-00
travail, d'après
le traité d'alchimie
De Magno Lapide
(1677).
On y voit
le savant réalisant
l'étape dite de
«la douzième clef».
La Cabale est un
tableau tiré d'un
très célèbre traité
d'alchimie datant de
1616.
lI représente
la montagne et la
grotte du philosophe,
ainsi que les sept
étapes successives
de l'alchimie et les
quatre corps purs.
l'hydrogène.
En 1858, le chimiste italien Stanislao
Cannizzaro publiait une liste de 60 éléments clas-
sés par ordre croissant de masses atomiques.
Bien que l'on ne connût pas à l'époque la struc-
ture intime des atomes, leur classification par
masse croissante allait donner lieu à d'étranges
découvertes.
Ainsi le chimiste anglais John New-
lands remarqua en 1864 que, dans cette liste, cer-
taines des mêmes caractéristiques chimiques
semblaient resurgir à intervalles réguliers, tous les
huit éléments.
Cette «loi des octets» lui valut
A
Tableau du xvr siècle représentant al-Jabir,
alchimiste arabe du xir siècle qui réalisa de nombreuses expériences et fut l'auteur de
plusieurs traités sur les éléments.
Parmi ses
expériences les plus célèbres, al.Jabir parvint
notamment à synthétiser de l'acide
chlorhydrique à partir de sels et de sulfates.
Le chimiste suédois funs Jacob Berzelius
dressa la première liste exhaustive des
éléments, classés par ordre de masse croissant.
Il inventa également nombre de leurs symboles
(H, O, Fe, etc.) encore utilisés de nos jours.
,
Le chimiste flamand Jan Baptista Van
Helmont découvrit au xvir siècle que
l'air n'était pas l'unique substance volatile
de la nature, et qu'il existait d'autres vapeurs
invisibles douées de propriétés chimiques,
qu'il baptisa «gaz».
d'abord des sarcasmes, mais elle fut également
reconnue par le chimiste russe Dmitri Mende-
leïev (1834-1907).
En 1869, ce dernier classa les
éléments en un tableau à deux dimensions.
A
cette fin, il rassembla les cartes qu'il avait écrites
pour chaque élément - résumant pour chacun
ses propriétés - et aligna en colonnes les élé-
ments de même «comportement» chimique, don-
nant lieu au même type d'oxyde: la première
table périodique des éléments était née.
La table de Mendeleïev fait ressortir une clas-
sification des atomes en huit colonnes princi-
pales, mais elle n'explique pas cette configura-
tion.
Il faudra attendre le début du xx siècle et la
découverte des éléments constituants des atomes
- les protons, les neutrons et les électrons - pour
que la récurrence des propriétés chimiques selon
un cycle à huit colonnes soit expliquée.
Il se
trouve que les propriétés chimiques d'un atome
dépendent du nombre d'électrons circulant sur sa
couche extérieure: or ce nombre varie de un à
huit électrons, avant que ne se forme une nou-
velle couche externe, où l'on retrouve à nouveau
un seul électron, puis deux, etc.
Le schéma se
complique avec les éléments lourds, à partir du
scandium et du titane, quand la couche électro-
nique extérieure offre non plus 8 mais 18 «places»
d'électrons: pour cette raison, la table périodique
des éléments compte 18 colonnes principales.
430.
»
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