Matiere

Le tableau préféré des chimistes fête ses 150 ans

La classification périodique des éléments, inventée par le professeur russe Dmitri Mendeleïev en 1869, reste une référence pour expliquer et classer les matières qui composent notre environnement

Il trône dans tous les laboratoires du monde. C’est un immense tableau composé de chiffres, de lettres et de couleurs, qui semble annoncer à celui qui le regarde: «Ici, on fait de la science.» Le tableau périodique des éléments a été inventé il y a 150 ans par le Russe Dmitri Mendeleïev et il est toujours, aujourd’hui, l’outil de référence pour comprendre comment est fait le monde qui nous entoure.

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Mais en quoi ce système de classement de la matière a-t-il été fondamental pour faire évoluer la chimie? Quand Mendeleïev esquisse ses premiers croquis, à la fin du XIXe siècle, plusieurs prédécesseurs en ont déjà posé les bases en identifiant quelques éléments. «Déjà au XVIe siècle, les alchimistes parvenaient via leurs expériences à repérer l’hydrogène ou le phosphore», explique Bruno Therrien, professeur de chimie à l’Université de Neuchâtel.

En 1789, le Français Antoine Lavoisier, lui, classe les substances comme l’azote, l’argent et l’alumine selon leurs propriétés. «En Grande-Bretagne, John Dalton pond sa nomenclature en 1808. Il utilise différents symboles afin de présenter les éléments en fonction de leur masse», poursuit Bruno Therrien. D’autres, comme le Français Chancourtois, apportent aussi leur pierre à l’édifice en regroupant certains éléments dans une même famille.

Du plus léger au plus lourd

Quand Mendeleïev se penche sur le sujet, il a évidemment en tête toutes les avancées de ses éminents confrères. «A l’époque, tous les professeurs de chimie cherchaient à classer les éléments, relève Bernadette Bensaude-Vincent, historienne des sciences à l’Université de Nanterre. Mendeleïev enseignait à Saint-Pétersbourg, et prévoyait d’écrire un manuel de chimie générale. En 1860, il participe au premier congrès international de chimie, en Allemagne, et tombe d’accord avec l’Italien Stanislao Cannizzaro, qui classe les éléments selon leur poids atomique.» De retour en Russie, il remarque une certaine régularité dans la croissance des masses selon les différents groupes. Et le tour est joué.

Mendeleïev donne donc naissance en 1869 à un tableau qui classe les éléments selon leur numéro atomique, soit le nombre de protons qu’ils comprennent. Celui-ci s’ouvrait en haut à gauche avec l’hydrogène (H), qui ne compte qu’un seul proton, et s’achevait avec leuropium (Eu), l’élément le plus riche en protons alors connu (63).

Mais le Russe laisse la place aux autres chercheurs pour en découvrir de nouveaux. «Ce qui fait le génie de Mendeleïev, c’est moins sa manière de ranger les éléments que le fait d’avoir laissé des cases vides avec des points d’interrogation au milieu, explique Claude Friedli, professeur de chimie à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Ses indications ont par exemple permis de trouver, vingt ans plus tard, le gallium ou le germanium.»

Formes et couleurs

Au début, pourtant, le tableau de Mendeleïev passe plutôt inaperçu. Mais quand les éléments manquants sont découverts, et qu’ils confirment la structure du tableau, le succès arrive. De son vivant, son manuel est réédité sept fois. Quand les isotopes (deux éléments qui ne diffèrent que par le nombre de leurs neutrons, comme le carbone 12 et 14) sont découverts, en 1913, certains remettent en question le tableau, qui ne prend pas en compte les variations de neutrons. Mais au final, rien ne lui ôtera son statut de référence.

Depuis les premières esquisses de Mendeleïev, le tableau a bien changé. Aujourd’hui, il comporte 118 éléments et regorge d’informations: au-dessus de la lettre qui symbolise l’élément, la couleur du numéro atomique indique si celui-ci est solide, liquide ou gazeux. Si la bordure de la case est un trait noir, cela signifie que cet élément est primordial, c’est-à-dire qu’il est présent naturellement sur la planète (comme le fer ou l’arsenic), et non pas produit par la désintégration d’autres éléments (dans ce cas, la bordure prend la forme de tirets).

Nucléosynthèse

Le Big Bang a mis au monde trois éléments seulement, écrit la physicienne américaine Jennifer A. Johnson dans le dernier numéro de la revue Science. L’hydrogène, l’hélium et le lithium. Ce sont eux qui sont à l’origine de tous les autres éléments que nous connaissons aujourd’hui, via un processus appelé la nucléosynthèse, qui a tout de même duré des milliards d’années. Si ce n’était pas de la science, d’aucuns auraient pu penser que c’était un miracle.

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Le Big Bang est donc à l’origine de tous les éléments de l’Univers – du moins de ceux qui sont naturels. A partir du numéro 95, l’américium, les éléments sont synthétiques: ils ont été produits artificiellement, par réaction nucléaire. Dans le monde, plusieurs laboratoires se sont lancés dans cette course à la découverte de nouveaux éléments, avec des résultats débattus (voir encadré).

Têtes de Turc

Certains chimistes qui travaillent quotidiennement avec le tableau de Mendeleïev ont développé une relation affective à cet outil. C’est le cas de Cécile Hébert, professeure associée à l’EPFL, dont la main repose sur un tapis de souris en forme de tableau périodique. «Ma spécialité, c’est l’analyse de la composition chimique des éléments. Donc, naturellement, j’ai mes préférences, avoue-t-elle en riant. L’arsenic et le gallium sont un peu mes têtes de Turc, parce qu’ils sont difficiles à repérer au microscope électronique. Par contre, les plus légers, comme le carbone ou l’azote, sont faciles à détecter!»

En Suisse, tous les professeurs de physique-chimie ont un tableau de Mendeleïev accroché dans leur salle de classe. Avec ses élèves, Sandrine Studer, au Collège de Saint-Maurice, commence par aborder la structure de l’atome avant de déchiffrer les cases et d’en venir au tableau à proprement parler. «C’est un outil qui semble complexe, mais il parle de choses très concrètes», dit-elle. L’uranium des centrales nucléaires, l’or des bijoux, la silice du sable… Malgré ses 150 ans, la référence des chimistes n’a pas pris une ride.

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Comment lire les cases du tableau périodique?

Fiche d’identité Chacun des 118 éléments est présenté de la même manière.
Les éléments sont classés par nombre croissant de protons, du haut à gauche en bas à droite. Pour retenir le tout, des moyens mnémotechniques existent.
La phrase «Napoléon mangea allègrement six poulets sans claquer d’argent»
permet ainsi de mémoriser la troisième ligne constituée du sodium (Na), du magnésium (Mg), de l’aluminium (Al), du silicium (Si), du phosphore (P), du soufre (S),
du chlore (Cl) et de l’argon (Ar).


La course au 119e élément va bientôt démarrer

Où s’arrête le tableau périodique des éléments? Tout le monde n’a pas le même avis sur la question. Pour l’Institut unifié de recherches nucléaires de Doubna, en Russie, le tableau peut encore s’enrichir. Grâce à ses six accélérateurs de particules, l’institution a détecté neuf nouveaux éléments, dont les cinq derniers.

Celui qui clôt actuellement le tableau, le numéro 118, a même été nommé en 2016 oganesson, du nom du physicien à la tête du laboratoire. En dépit de ses 85 ans, l’homme s’apprête à continuer sa chasse aux noyaux muni d’un nouvel accélérateur de particules. Le dénommé SHEF (usine à éléments super-lourds) a coûté 60 millions de dollars et sera mis en route au printemps.

Contrairement à l’or ou à l’oxygène, les atomes de cette catégorie sont produits artificiellement, par réaction nucléaire, et ne sont pas stables. On ne les repère donc qu’une fraction de seconde avant qu’ils ne s’évanouissent. Dans quelle mesure est-il nécessaire de détecter cette forme de matière? Au sein de la communauté scientifique, le débat est vif. A ce stade, c’est peut-être de «l’art pour l’art», observe le magazine Science dans son dernier numéro.

Les chimistes comptent parmi les plus sceptiques. «Je ne suis pas convaincu, doute Bruno Therrien, de l’Université de Neuchâtel. Créer ces éléments de toutes pièces est de la pure physique.» Selon la théorie de l’îlot de stabilité, les nouveaux noyaux qui apparaîtront pourraient cependant être moins éphémères que les autres, ce qui favoriserait la recherche sur leurs propriétés.

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