Le tableau de Mendeleïev : 150 ans d’histoire

Référence des chimistes, terrain de jeu des physiciens et passage obligé des manuels du secondaire, le tableau périodique des éléments fascine toujours autant, 150 ans après sa création.

Légende tableau

Il est le résultat de plusieurs décennies de recherches, de découvertes et de tentatives de classifications avec un seul but : la compréhension de ce qui nous entoure et nous compose, au cœur de la matière. Loin de prendre la poussière sur les murs des salles de classes, le tableau de Mendeleïev fait partie de notre quotidien et se situe plus que jamais au centre de la recherche scientifique actuelle.

Dmitri Ivanovitch Mendeleïev a 35 ans lorsqu’il présente en 1869 la classification périodique des éléments, qui deviendra plus tard le tableau que l’on connaît. Depuis, le chimiste russe est devenu une icône, érigée en pop-star de la chimie. Un élément du tableau, un cratère lunaire et une dorsale océanique portent à présent son nom. Et pour cause, il est à l’origine de l’une des plus belles œuvres de sa discipline.


Né à Tobolsk dans une famille modeste de Sibérie le 8 février 1834, le jeune Dmitri Mendeleïev perd son père Ivan à l’âge de 13 ans. Peu après, sa mère Mariya l’emmène à Saint-Pétersbourg afin qu’il poursuive des études. À 16 ans, il foule pour la première fois les bancs de la faculté des sciences naturelles et mathématiques, où il s’inscrit aux cours de chimie, biologie, physique et pédagogie. Il obtient son diplôme cinq ans plus tard, en 1855, et part à Heidelberg en Allemagne pour travailler sur les gaz dans le laboratoire de Robert Bunsen. 1863 marque son retour à l’institut technologique, puis à l’université de Saint-Pétersbourg, cette fois en tant que professeur. Il y soutient sa thèse de doctorat sur l’interaction entre l’eau et l’alcool en 1865.



L’histoire du tableau de Mendeleïev est celle de la chimie


Les découvertes de Mendeleïev n’ont été possibles que par sa profonde connaissance de la chimie et de la physique de l’époque. Il a pu compter pour cela sur les travaux de ses confrères, voyageant de congrès en congrès à travers l’Europe. Avant lui, une soixantaine de classifications avaient déjà été proposées. Entre 1860 et 1869, cinq d’entre elles se présentaient même comme périodiques. Jusqu’à Mendeleïev et encore après, la conception de l’atome s’est largement affinée. Au temps d’Aristote, Démocrite donne naissance à la théorie atomistique, suivi de Leucippe et Lucrèce. Démocrite prétend que la matière n’est pas indéfiniment divisible et qu’elle est constituée de particules que l’on ne peut pas subdiviser : les atomes. Cependant, cette théorie est rapidement supplantée par celle d’Aristote selon laquelle nous sommes entourés de 4 éléments : la terre, l’eau, l’air et le feu.

1661 : Boyle et le rejet de la conception antique

En publiant The sceptical chymist en 1661, Robert Boyle bouscule les conceptions en vigueur et participe à faire rentrer la chimie dans la modernité en rejetant l’idée d’Aristote. Pour Boyle, les éléments sont “des entités parfaitement indépendantes et uniques en leur genre”, qui ne doivent plus pouvoir être réduites ou décomposées davantage. Nous sommes deux siècles avant la publication des premiers travaux de Mendeleïev.

Tableau des éléments
Tableau des substances simples par Antoine-Laurent de Lavoisier (1789) © Lavoisier, Antoine Laurent [Public domain], via Wikimedia Commons

Pourquoi avoir cherché à classifier les éléments ?

La recherche d’une classification intervient au XIXe siècle, alors que l’enseignement de la chimie se développe. Comme nombre de ses confrères professeurs, Mendeleïev cherche un moyen d’enseigner à ses élèves les éléments connus à ce jour. Mais dans quel ordre ? Alphabétique ? Chronologique ? Ou existerait-il un ordre naturel ? C’est ce dont il était persuadé.

1789 : Antoine-Laurent de Lavoisier et la première tentative de classification

37 corps simples avaient été identifiés quand le Français Lavoisier proposa la première classification. Il avait pris soin de les regrouper en fonction de leurs comportements lors de certaines réactions chimiques. Cependant, la lumière ou encore la chaleur y figuraient comme étant des éléments. Il n’avait pas vu juste sur tous les tableaux !



L’atome, chimère devenue réalité

1808 : John Dalton et les poids atomiques

Ce n’est qu’à partir du XIXe siècle et des travaux de Dalton que la conception de l’atome devient véritablement scientifique. Il existe d'après le chimiste et physicien anglais différents types d’atomes, des sphères pleines, ayant des masses différentes. Il démontre la possibilité de les calculer par déduction.

1817 : Johann Wolfgang Döbereiner et les triades

Le chimiste allemand Döbereiner proposa de rassembler les éléments en groupes de trois qu’il appela triades. Celles-ci rassemblaient des éléments aux propriétés semblables, la masse atomique de celui du milieu étant la moyenne des deux qui l’entouraient. Ce modèle ne s'appliquait cependant qu’à un nombre réduit d'éléments connus.

1860 : Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois et les prémisses de la périodicité

60 éléments avaient été découverts lorsque Chancourtois proposa une représentation spiralée, autour d’un cylindre, d’après l'ordre croissant de masse atomique. En procédant de cette façon, il s'avèrera que les éléments qui se superposaient possédaient les mêmes propriétés.

1864 : John Newlands et les octaves, la première classification périodique

Avec 62 éléments à sa disposition, Newlands fut le premier à employer le mot périodicité et à attribuer un numéro atomique à chaque élément. “Toute série de huit éléments suivant un élément particulier est une sorte de répétition de la précédente, un peu comme les huit notes d’une octave en musique” affirmait-il.

Tableau des éléments
Liste des symboles et poids atomiques des éléments chimiques par John Dalton (1808) © John Dalton, 1808 / Джон Дальтон, 1808 [Public domain], via Wikimedia Commons
“Expérience d’une classification d’éléments basée sur leur poids atomique et leur similarités chimiques” par Dmitri Mendeleïev (1869)
“Expérience d’une classification d’éléments basée sur leur poids atomique et leur similarités chimiques” par Dmitri Mendeleïev (1869) Sadi Carnot at en.wikipedia [Public domain or Public domain], from Wikimedia Commons

Pourquoi la classification de Mendeleïev s’est-elle imposée, donnant son nom au tableau périodique des éléments ?

Alors que Mendeleïev n’avait pas encore connaissance des récents travaux de ses collègues européens, il aboutit aux mêmes conclusions. En classant les éléments par ordre croissant de masse atomique, leurs propriétés se répétaient suivant un ordre régulier. En respectant ces périodes avec tous les éléments qu’il connaissait à l’époque, son tableau était incomplet. Pour lui, hors de question de remettre en cause son modèle : si des cases étaient vides, c’est que des éléments inconnus à ce jour devaient s’y trouver. La classification de Mendeleïev ne s’impose pas immédiatement. Il faut attendre 1875 et la découverte du gallium par le chimiste français François Lecoq Boisbaudran. Ses contemporains s’aperçoivent alors que Mendeleïev avait prédit les principales propriétés de ce nouvel élément six ans auparavant. En plus d’être un modèle parfaitement fonctionnel, la classification de Dmitri Mendeleïev s’est révélée extraordinairement prédictive. Elle permettait non seulement de présager l’existence de nouveaux éléments, mais surtout d’en prédire les caractéristiques et les comportements.

1897

1911

Joseph John Thomson et l’électron

Ernest Rutherford et le modèle planétaire de l’atome

Depuis la mort de Mendeleïev en 1907 à Saint-Pétersbourg,

Thomson franchit un pas important avec la découverte de l’électron. Il les considérait alors comme négatifs, dispersés au sein de l’atome, positif, le tout formant un ensemble neutre. Dès lors, l’atome n’est plus la plus petite unité indivisible de la matière.

Rutherford démontre que l’atome est constitué d’un noyau, chargé positivement, autour duquel gravitent des électrons, chargés négativement et séparés par du vide. Les électrons sont en mouvement sur des orbites indéfinies.

le tableau périodique des éléments a naturellement connu de légères évolutions. La dernière en date a été l’ajout en 2015 de 4 nouveaux éléments. Aujourd'hui, les éléments sont regroupés par ordre croissant de numéro atomique (les lignes), et par propriétés chimiques semblables (les colonnes).

Genèse des éléments chimiques


Image du télescope spatial Hubble montrant un reste de supernova. Celui-ci fait partie d'une région de formation d'étoiles dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie irrégulière à 160 000 années-lumière de notre galaxie, visible de l'hémisphère sud. © NASA/ESA/HEIC and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

L’histoire des éléments chimiques commence juste après le Big Bang, avec la formation de l’hydrogène et de l’hélium, puis continue tout au long de la vie des étoiles, avec l’assemblage d’éléments comme l’hélium, le carbone, l’oxygène, le calcium… jusqu’au fer.

La synthèse de ces éléments (la nucléosynthèse) se produit par réactions thermonucléaires au cœur des étoiles, à des températures supérieures à plusieurs millions de degrés et d’autant plus élevées que l’élément est de numéro atomique élevé.

Certains de ces noyaux atomiques seront redistribués dans l’espace interstellaire lors des phases finales de la vie de l’étoile, phases pendant lesquelles elle peut perdre une grande partie de sa masse en éjectant ses couches externes.

Les éléments plus lourds que le fer sont synthétisés lors d’évènements catastrophiques comme l’explosion, à la fin de sa vie, d’une étoile massive en supernova ou encore la collision de deux étoiles à neutrons, qui sont elles-mêmes ce qui reste d’une étoile massive après son explosion en supernova.

Les supernovae forment ainsi du nickel, du cuivre, du zinc…, alors que des éléments comme l’or ou l’uranium proviennent sans doute de la fusion de deux étoiles à neutrons.
Lithium, béryllium et bore se distinguent car ils sont produits par le choc entre des atomes lourds et des rayons cosmiques (des noyaux atomiques se déplaçant à grande vitesse).

Tous les éléments du tableau de Mendeleïev nous parlent donc d’astronomie, du Big Bang ou des étoiles, sauf bien sûr les éléments chimiques synthétiques qui ont été fabriqués par les physiciens au cœur de leurs laboratoires…


Lexique

Élément chimique

On appelle élément chimique l’ensemble des entités, atomes ou ions, qui présentent le même nombre Z de protons dans leur noyau. Sur les 118 éléments chimiques connus à ce jour, 94 existent à l’état naturel. Des entités différentes d’un même élément chimique peuvent avoir un nombre inégal de neutrons. Ils auront les mêmes propriétés chimiques mais des propriétés physiques qui peuvent être différentes. On les appelle alors des isotopes.

Atome

Un atome est une entité électriquement neutre composée d’un noyau atomique, lui-même constitué de protons et de neutrons, et des électrons qui gravitent autour du noyau. L’atome est considéré comme le constituant fondamental de la matière par les chimistes, bien qu’il soit lui -même divisible en particules plus petites. L’atome d’hydrogène, le plus petit des atomes, est une exception. Son noyau ne compte en effet qu’un proton et aucun neutron. Les propriétés physiques et chimiques des atomes dépendent du nombre de protons, aussi appelé « configuration électronique ». Si deux atomes présentent le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent, ce sont des isotopes. Leurs propriétés chimiques seront les mêmes, leurs propriétés physiques (la masse notamment) pourront être différentes.
Taille d’un atome: de l’ordre de 10-10 m
Masse d’un atome: de l’ordre de 10-26 kg

Proton et neutron

Le proton et le neutron sont les particules constitutives du noyau atomique, également appelées nucléons. Le proton, chargé positivement, est lui-même constitué de trois particules, les quarks, liées par une force nucléaire forte. Chaque proton est ainsi constitué de deux quarks up et d’un quark down. Le neutron, lui, est une particule neutre constituée également de trois quarks, deux quarks u et un quark d.

Électron

L’électron est une particule chargée négativement qui gravite autour du noyau atomique. C’est une particule élémentaire, tout comme les quarks constitutifs des protons et des électrons. Dans le modèle atomique décrit par Niels Bohr en 1913, les électrons se trouvent sur des couches électroniques, en périphérie du noyau. Le nombre de couches augmente avec le nombre d’électrons et, donc, avec le numéro atomique Z. Les couches électroniques sont désignées par des lettres. La première, la couche K, est la plus proche du noyau et peut contenir 2 électrons. La suivante, la couche L, contiendra au maximum 8 électrons. Ce nombre maximum d’électrons possibles sur une même couche électronique est défini par le principe de Pauli et calculé selon la formule : 2n2, n étant le nombre quantique de la couche (n étant égal à 1, 2, 3, 4 et 5 pour, respectivement, les couches K, L, M, N et O). Une couche électronique remplie est dite « saturée ».

Ion

Un ion est une espèce chimique, atome ou molécule, ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Un ion est dit « monoatomique » lorsqu’il n’est constitué que d’un type d’atomes (exemple le sodium Na+) et « polyatomique » lorsqu’il est constitué d’atomes différents (exemple l’ammonium NH4+). On parle de cation lorsque l’ion a perdu un ou des électron(s) et est donc globalement positif (comme l’ion magnésium Mg2+). On parle d’anion lorsque l’ion a gagné un ou plusieurs électron(s) et est donc globalement négatif (comme l’ion phosphate PO43-).

Unité de masse atomique unifiée

Cette unité, notée « u », exprime la masse des atomes et des molécules. Sa valeur est définie par le douzième de la masse de l’atome de carbone 12 (12C), au repos, non lié et dans son état fondamental. 1 u vaut approximativement 1,660 538 921 × 10−27 kg.

Nucléosynthèse

La nucléosynthèse désigne la synthèse de noyaux atomiques par une réaction nucléaire. Cette réaction peut être de plusieurs types: capture de neutrons, le noyau atomique capture un neutron, sans se désintégrer, formant ainsi un noyau plus lourd; capture de protons; fusion nucléaire, où deux noyaux atomiques légers s’unissent pour former un noyau plus lourd; fission nucléaire, où un noyau atomique lourd se scinde en deux noyaux plus légers; spallation, où le noyau atomique ciblé (par un neutron ou un proton) se décompose en formant des jets de particules légères et un noyau plus léger que le noyau cible.

On distingue plusieurs nucléosynthèses: la nucléosynthèse primordiale, qui s’est passée immédiatement après le Big Bang et qui a formé les éléments légers comme l’hélium ou le deutérium; la nucléosynthèse stellaire, responsable de la synthèse de l’hélium, puis, à la fin de la vie de l’étoile, de certains éléments compris entre le lithium et le fer; la nucléosynthèse explosive, dans les étoiles massives, produisant des éléments plus lourds que le fer; et, enfin, la spallation cosmique, qui produit des éléments comme le lithium, le béryllium et le bore, par bombardement de la matière par des rayons cosmiques.