Histoire du tableau périodique

Le chimiste français Lavoisier est considéré comme l'auteur du premier texte de chimie moderne, la « Méthode de nomenclature chimique » (1787). Avec Guyton de Morveau, Berthollet et Fourcroy, il supprime les noms énigmatiques tels que « huile de vitriol » ou « beurre d'antimoine », en les remplaçant par des termes systématiques basés sur la composition du composé.

En 1789, il publie le « Traité élémentaire de chimie », qui comprend un tableau des substances simples, dans lequel 33 substances connues sont classées en quatre catégories : les gaz, les non-métaux (formateurs d’acides), les métaux (formateurs de sels) et les terres.

Avant Lavoisier, la chimie parlait le langage mystique de l'alchimie. En définissant une « substance simple » comme une substance qui ne peut être décomposée par analyse chimique, il a jeté les bases opérationnelles du concept moderne d'élément.

Dans sa liste originale, il incluait la lumière et le « calorique » (chaleur) comme s'il s'agissait d'éléments chimiques, ce qui serait corrigé des décennies plus tard.

En 1808, le météorologue et chimiste anglais John Dalton proposa sa théorie atomique. Sa grande contribution n’a pas été simplement de dire que la matière est constituée d’atomes indivisibles, mais de postuler que les atomes d’un élément sont identiques les uns aux autres et ont une masse caractéristique. Dalton a tenté de mesurer ces masses relatives en prenant l'hydrogène comme unité (H=1), donnant à la science la propriété fondamentale qui permettrait à tous les éléments d'être ordonnés au XIXe siècle : la masse atomique relative.

Avec ses poids atomiques, Dalton a conçu le premier système de symboles pictographiques circulaires pour représenter chaque élément et composé dans un premier arrangement tabulaire, précédant la notation chimique alphabétique moderne.

Avant Berzelius, chaque scientifique dessinait ses propres symboles alchimiques ou à la manière de Dalton (cercles avec des points ou des rayures). En 1814, Berzelius simplifia le système en proposant un code universel : il proposa d’utiliser une ou deux lettres du nom latin de l'élément (par exemple, Fe pour Ferrum, Au pour Aurum, Na pour Natrium).

Berzelius était un véritable chasseur d'éléments : il découvrit le cérium (Ce), le sélénium (Se) et le thorium (Th), et fut le premier à isoler le silicium (Si), le zirconium (Zr) et le titane (Ti) en laboratoire. Il a également perfectionné les méthodes d'analyse quantitative, déterminant les poids atomiques de près de 50 éléments avec une marge d'erreur étonnamment petite pour l'époque.

En 1829, Döbereiner remarqua que certains éléments pouvaient être regroupés en ensembles de trois (triades) ayant des propriétés chimiques presque identiques. Mais ce qui était fascinant, c'étaient la relation mathématique sous-jacente : la masse atomique de l’élément central était souvent proche de la moyenne arithmétique des masses atomiques des deux autres.

Bien que ses contemporains y aient vu une simple curiosité numérique (il n'a réussi à former qu'une vingtaine de triades), Döbereiner a démontré pour la première fois que la masse atomique et les propriétés chimiques sont profondément interconnectées.

En septembre 1860, le premier congrès international de chimie de l'histoire se tient à Karlsruhe (Allemagne). La discipline était embourbée dans le chaos : il n'y avait aucun accord entre la masse atomique et la masse moléculaire, ni sur les formules chimiques (certains écrivaient l'eau comme HO et d'autres comme H2O).

L'Italien Cannizzaro a sauvé l'hypothèse d'Amedeo Avogadro et a présenté une distinction mathématique claire entre les atomes et les molécules. il distribua un livret explicatif qui ouvrit les yeux de nombreux jeunes participants, parmi lesquels Lothar Meyer et Dmitri Mendeleev. Sans les poids atomiques unifiés par Cannizzaro, le tableau périodique n'aurait jamais pu être construit.

En 1862, ce géologue et minéralogiste français fut le premier à organiser les éléments par masse atomique croissante dans un format graphique géométrique continu : la vis tellurique.

Malgré son génie, la contribution de Chancourtois a été largement ignorée par les chimistes contemporains parce que l'éditeur a omis le diagramme géologique tridimensionnel crucial de son article original de 1862, rendant son texte difficile à comprendre sans le schéma.

Chancourtois dessina une hélice sur un cylindre incliné à 45° divisé en 16 parties égales. Lorsqu'il a tracé les éléments sur la spirale en fonction de leur masse atomique, les éléments ayant des propriétés similaires s'alignaient verticalement le long du même côté du cylindre, et le tellure tombait au centre de la carte – d'où son nom.

Sa théorie n'a jamais triomphé. En tant que géologue, il utilisait une terminologie minéralogique que les chimistes avaient du mal à comprendre. De plus, les imprimeurs publièrent son article original sans le schéma, ne laissant que le texte explicatif. Sans le dessin, l'idée était presque incompréhensible.

En 1864, Newlands a classé les éléments connus par masse atomique croissante et a observé un modèle : tous les huit éléments, les propriétés chimiques se répétaient.

Par analogie avec les octaves musicales, Newlands observa que chaque huitième élément présentait des propriétés similaires à celles du premier, comme le lithium et le sodium. Le système a très bien fonctionné pour les premiers éléments (jusqu'au calcium), mais s'est effondré avec des éléments plus lourds comme le fer ou le titane, dont les propriétés ne correspondaient plus.

Néanmoins, la Chemical Society de Londres accueillit d’abord son travail avec scepticisme. Un critique lui a demandé, moqueur, s'il n'obtiendrait pas de meilleurs résultats « en classant les éléments par ordre alphabétique ». Des décennies plus tard, la même institution lui décerne la médaille Davy en reconnaissance de son intuition pionnière.

Travaillant indépendamment de Mendeleïev, le chimiste allemand Lothar Meyer contribua lui aussi de manière importante à la découverte de la périodicité.

En 1864, Meyer a publié son premier tableau réduit, mais sa grande avancée a eu lieu en 1868-1869 lorsqu'il a tracé le volume atomique en fonction de la masse atomique. Il a observé une série de pics et de creux périodiques : les éléments présentant des propriétés similaires occupaient des positions comparables sur la courbe (par exemple, les métaux alcalins apparaissaient toujours aux sommets les plus élevés).

Son tableau disposait les éléments avec des affinités en rangées horizontales (équivalentes aux groupes d'aujourd'hui) et les périodes en lignes horizontales. Meyer fut très prudent et publia sa version la plus complète au début de 1870, quelques mois seulement après que Mendeleev publia son propre tableau en mars 1869. Bien que Mendeleïev fût plus audacieux dans la prédiction des éléments non découverts, le travail de Meyer fournissait la preuve physique indispensable (volume atomique) que la loi périodique était réelle.

En septembre 1860, Mendeleïev assista au premier Congrès international de chimie, à Karlsruhe. Cette rencontre se révéla déterminante : la présentation impeccable de Stanislao Cannizzaro sur les poids atomiques et la théorie atomique lui a fourni les bases conceptuelles fiables dont il avait besoin. Après avoir pris la chaire de chimie organique à l'Université de Saint-Pétersbourg en 1861, il commença à écrire son ouvrage principal, Principes de chimie, entre 1868 et 1871. La rédaction et la révision constante de ce texte académique, qui connut treize éditions et plusieurs traductions, furent le véritable moteur qui donna naissance à son système périodique.

Son premier tableau périodique, publié en 1869, comportait 63 éléments classés par masse atomique croissante. Contrairement à ses contemporains, Mendeleïev n’a pas essayé de forcer la nature à s’adapter. Il comprit que la loi périodique imposait de réviser certains poids atomiques douteux et même de laisser des espaces vides réservés aux éléments non encore découverts. Avec une audace scientifique sans précédent, il prophétisa les propriétés physiques et chimiques de trois d'entre eux en se basant sur le comportement de leurs voisins de colonne, les nommant provisoirement eka-aluminium (celui en dessous de l'aluminium), eka-bore et eka-silicium.

Dans la révision de 1871, il réorganisa le tableau en colonnes correspondant aux groupes d’éléments aux propriétés similaires et en lignes correspondant aux périodes, en tenant également compte de la valence chimique. Malgré son génie, la version de 1871 contenait certaines anomalies dues au manque de données de l'époque :

• Pas de place définie pour l'hydrogène (il pouvait être placé soit parmi les halogènes, soit parmi les métaux alcalins).
• Pas de séparation claire entre les métaux et les non-métaux. Le Tungstène et le manganèse figurent parmi les éléments non métalliques.
• Il n'avait pas prévu de place pour les lanthanides ou les actinides.
• Les gaz nobles, inconnus à l'époque, sont également absents de son tableau.

Même avec ces lacunes, Mendeleïev faisait tellement confiance à la périodicité qu'il a inversé l'ordre apparent des paires telles que le cobalt et le nickel, le tellure et l'iode, ou l'argon et le potassium pour préserver l'affinité de groupe, tout en ajustant également la masse d'éléments tels que béryllium, indium et uranium. Entre 1875 et 1886, le monde scientifique a regardé avec perplexité la confirmation expérimentale de ses prédictions avec la découverte du gallium par Paul Lecoq de Boisbaudran (eka-aluminium), du scandium par Lars Nilson (eka-bore) et du germanium par Clemens Winkler (eka-silicium).

Dans les années qui ont suivi, Mendeleïev a continué à peaufiner son tableau. Pour accueillir le groupe complexe des terres rares, il regroupa d'abord le cérium, l'erbium et le terbium dans le même espace, jusqu'à ce qu'en 1902 le chimiste tchèque Bohuslav Brauner l'aide à placer toute la série des lanthanides dans une section réservée au pied du schéma. De son côté, le Britannique William Ramsay découvre les gaz rares dans les années 1890 et propose la création du « Groupe Zéro », une solution élégante puisque ces éléments avaient une valence nulle.

La fin du XIXe siècle apporte la découverte de les rayons X (Röntgen, 1895), la radioactivité naturelle (Becquerel, 1896 ; Marie et Pierre Curie, 1898) et l'identification de l'électron par J. J. Thomson en 1897. Cette dernière découverte fut un choc conceptuel pour Mendeleïev, qui hésitait à accepter la divisibilité de l'atome. Néanmoins, les modèles atomiques développés plus tard par Rutherford, Bohr et Sommerfeld, ainsi que la consolidation de la mécanique quantique dans les années 1920 par Pauli, Schrödinger et Heisenberg, ont finalement donné l'explication physique définitive de la structure périodique que Mendeleïev avait mise en évidence principalement à partir d’observations empiriques.

Avocat de profession et physicien autodidacte par passion, le Néerlandais Antonius van den Broek a fourni la pièce manquante qui permettrait de libérer le tableau des irrégularités liées à l’ordre des masses atomiques. En 1911, il publia une hypothèse révolutionnaire dans la revue Nature : il suggérait que le numéro d’ordre d’un élément dans le tableau était lié à la charge positive de son noyau atomique. Il a proposé que chaque élément différait du précédent par une unité de charge nucléaire de base. Bien qu'il lui manquait les moyens expérimentaux dans son laboratoire privé pour le prouver, sa déduction théorique a réorienté la recherche de l'ordre définitif de la matière.

Tragiquement tué sur le front de Gallipoli pendant la Première Guerre mondiale à seulement 27 ans, le physicien anglais Henry Moseley a transformé la conjecture de Van den Broek en une certitude expérimentale inébranlable. En 1912, en utilisant la spectroscopie des rayons X sur divers éléments, il découvrit que la racine carrée de la fréquence des raies caractéristiques de rayons X variait linéairement avec le numéro atomique.

Cette relation mathématique, formulée en 1914 sous le nom de loi de Moseley, prouva définitivement que la propriété fondamentale qui détermine l’ordre des éléments et la périodicité est le numéro atomique, et non la masse atomique. Ce changement fondamental a eu des conséquences immédiates :

• Les paires inversées selon l'ordre des poids atomiques étaient désormais correctement placées : Te–I, Co–Ni et Ar–K.
• Les résultats de Moseley contribuèrent à clarifier l’ordre des éléments, notamment lorsque celui-ci ne correspondait pas à l’ordre des masses atomiques.
• Il a été établi qu'il n'y a aucun autre élément entre H et He.
• Cela a permis d'affirmer qu'il y avait 15 éléments entre Ba et Hf, dont La, les soi-disant lanthanides.

À mesure que la physique nucléaire progressait, l'étude des chaînes de désintégration de l'uranium, du thorium et de l'actinium a commencé à créer une apparente saturation de nouveaux éléments radioactifs qui ne rentraient pas dans le tableau. Le chimiste britannique Frederick Soddy, prix Nobel en 1921, résout l'énigme en formulant en 1913 la loi des déplacements radioactifs, également étudiée par Kazimierz Fajans. Soddy a démontré que l'émission de particules alpha ou bêta par des noyaux instables transformait spontanément un élément en un autre, changeant sa masse et sa charge.

Soddy introduisit le terme isotope, formé à partir de mots grecs signifiant « même place » pour expliquer que le même élément chimique pouvait exister dans différentes variétés atomiques avec un numéro atomique et un comportement chimique identiques mais des masses atomiques différentes. Cette découverte a clarifié pourquoi les masses atomiques relatives des éléments naturels ne sont généralement pas des nombres entiers, car elles reflètent les abondances relatives de leurs différents isotopes, résolvant ainsi les contradictions apparentes de la loi périodique et consolidant le tableau en tant que structure explicative fondamentale de la chimie.