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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.

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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

« 139 La Table périodique des éléments I 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.

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