Mendeleïev nous donne les clés du monde !

Bon alors, vous le savez peut-être 2019, c’est l’année de la chimie : une décision du ministère de l’Éducation nationale et le ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation ! L’occasion de parler, tout au long de cette année, à l’aide d’une multitude d’exemples, de cette science qui se loge partout dans notre vie quotidienne et notre environnement (y compris naturel) et qui n’a malheureusement pas toujours bonne presse !

Alors quoi de plus emblématique et de plus connu que le tableau périodique des éléments, encore appelé tableau de Mendeleïev ? Il dresse à lui seul un panorama complet de tous les éléments chimiques naturels ou artificiels.
On en a tous un souvenir plus ou moins précis, bon ou mauvais…peut-être sous la forme d’une affiche accrochée au fond d’une classe. Alors si on le redécouvrait de façon un peu différente ?

Alors figurez-vous que nous avons fêté ces jours-ci, les 150 ans de cette belle classification ! En effet, le chimiste russe Dimitri Mendeleïev, qui a étudié et enseigné dans la prestigieuse Université d’Etat à St Petersbourg, a cherché une façon judicieuse de classer la soixantaine d’éléments chimiques jusqu’alors découverts. Il a trouvé et présenté officiellement sa classification le 6 mars 1869.

Saviez-vous que cette classification qui porte son nom, il n’était pas le seul à l’avoir trouvée ?  Le chimiste  britannique John Newlands ainsi que le chimiste allemand Lothar Meyer ont, eux aussi, cherché à organiser les éléments chimiques connus, de façon logique (il y a même eu d’autres scientifiques impliqués dans cette quête). La théorie de Newlands (1863) n’a pas rencontré de succès (il se serait discrédité en parlant « d’octaves » pour décrire les propriétés particulières de son tableau, ce qui lui valut des sarcasmes), tandis que les travaux de Lothar Meyer eurent plus de crédit, son approche étant très similaire à celle de Mendeleïev. Mais il n’a pas été assez rapide dans la publication et s’est fait coiffer au poteau… Notons qu’il avait quand même édité un ouvrage en 1864 (Die modernen Theorien der Chemie) qui présentait bien une toute première version de classification des 28 éléments connus. D’ailleurs, en 1882, ce sont bien Meyer et Mendeleïev qui reçurent tous les deux, la médaille Davy de la Royal Society pour récompenser leurs travaux exceptionnels sur la classification.

Tous les deux ont donc organisé les éléments chimiques selon leur masse atomique tout en laissant apparaître des associations regroupant des éléments dont les propriétés étaient très proches. On parle alors de familles : ce sont les « colonnes » de la classification, par exemple, la famille des « halogènes » en avant dernière colonne.

Le tableau de Mendeleïev permet donc de rendre compte de la périodicité des propriétés des éléments, constatée par le chimiste et de souligner le lien avec la masse atomique.

Le tableau de Mendeleïev dans sa version moderne

Parmi les propriétés proches, ce sont par exemple, les affinités chimiques qui sont soulignées. Ainsi, tous les éléments de la famille des halogènes, s’accoquinent tous très bien avec ceux de la 1e colonne de gauche (on dit qu’ils ont une bonne affinité) : ce qui explique l’existence de bon nombre d’acides (HCl, HF, HBr, HI) ou NaCl (le sel de cuisine).

Ce qu’il y a d’impressionnant dans le travail de Dimitri Mendeleiev, c’est qu’il a réussi à produire un tableau très efficace alors même que la connaissance précise de l’atome– brique élémentaire de la matière- n’était pas encore achevée (elle avancera grandement grâce à la découverte des électrons en 1897 par Joseph Thompson, aux travaux de Rutherford et Antonius van de Broek sur la description du noyau en 1909 et ceux de Rutherford en 1911 sur l’organisation des électrons en « couches » gravitant autour du noyau).

On peut alors s’interroger sur la façon dont procédaient les scientifiques pour caractériser les éléments, ce qui nous amène à la question : comment a fait Mendeleiev pour les classer ?
Il faut garder en tête que le chimiste russe a passé beaucoup de temps dans les laboratoires, a acquis de l’expérience et a appris à observer, toucher, expérimenter, chauffer, repérer les odeurs : cela lui a permis de cerner les affinités chimiques entre les éléments déjà connus. D’ailleurs, sa première classification ne mentionnait pas la dernières colonne de droite, celle des gaz nobles car ils n’étaient pas palpables, et trop peu réactifs !
Et puis comme tout scientifique, il a dû s’appuyer sur les observations de ses prédécesseurs…
Et la masse atomique alors ? Elle était en fait, déterminée de façon relative en prenant comme masse atomique de référence celle de l’hydrogène (masse atomique fixée à 1).
A l’époque (vers 1860), Bunsen avec qui Mendeleiev a travaillé, développe la spectroscopie : une méthode permettant d’analyser la lumière émise par un objet d’étude soumis à un chauffage (d’où la nécessite d’un bec bien conçu). La lumière est décomposée par un prisme et la figure présente des bandes colorées caractéristiques des éléments contenus dans l’échantillon. Cela devient donc une méthode d’analyse renversante afin de découvrir de nouveaux éléments, ou de découvrir des éléments connus dans certains échantillons et donc de  repérer des affinités chimiques et compléter le tableau.

Ce qu’il y a de plus impressionnant encore, c’est le fait que le chimiste russe avait prévu des cases vides pour de futurs éléments à découvrir ! Et il avait prédit leurs propriétés, par exemple avec quels autres éléments ils pourraient s’associer. Il s’est d’ailleurs permis de remettre en question des résultats expérimentaux lorsque par exemple le gallium (prévu le chimiste russe, comme appartenant à la même famille que l’aluminium) a été découvert en 1869 par le français François Lecoq de Boisbaudan. Effectivement, les critiques étaient justifiées et le chimiste française dut revoir sa copie. La théorie incarnée par la classification dépassait l’expérience !

Par la suite, les travaux scientifiques plus avancé ont apporté une justification de la périodicité des propriétés, mise en évidence quelques années plus tôt ! En comprenant la structure de l’atome, et notamment la répartition des électrons sur différents niveaux d’énergie (niveaux caractéristiques de l’élément), on comprenait que (dans les grandes lignes), le nombre d’électrons augmentait d’une unité en se déplaçant de gauche à droite, d’une case à l’autre.
Pour chaque élément d’une même colonne, le nombre d’électrons sur la couche externe est identique ce qui explique les propriétés voisines.

Alors pourquoi cette quête ? Pourquoi ce besoin de classer ?
Tout simplement parce qu’elle répond à un besoin d’appréhender la matière, c’est-à-dire ce qui compose le monde qui nous entoure dans sa grande diversité jusqu’au plus profond des choses et de faire le lien avec sa composition en atomes. C’est à cette condition qu’on peut efficacement transformer des matières premières pour répondre à de réels besoins technologiques où les outils et objets nécessitent des matériaux aux propriétés précises.
A l’heure où sonnent les appels à une consommation raisonnée, une meilleure utilisation des ressources dans le cadre d’un développement durable, je crois que « comprendre les atomes » et leur propriétés, c’est une nécessité de base (y compris pour réaliser l’analyse du cycle de vie d’un procédé).

Référence :
Sam Kean, « Quand les atomes racontent l’histoire du monde« , Editions Flammarion, 2013

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