Dimitri Mendeleiev

Né en 1834 à Tobolsk (Russie), Dimitri Mendeleiev a 35 ans lorsqu’il présente en 1869 la classification périodique des éléments. Le tableau qui résulte de ce travail porte désormais le nom de  son auteur : tableau (ou classification) de Mendeleiev. Ce tableau est devenu un important outil de travail pour les chimistes et les physiciens ; on peut le considérer comme une des plus belles œuvres scientifiques du 19e siècle.

Mendeleiev avait une connaissance profonde de la chimie et de la physique de son époque. Il avait acquis cette connaissance au cours de ses études, notamment à Saint-Petersbourg et à Heidelberg, mais aussi grâce aux contacts avec les plus grands savants de l'époque (entre autres Robert Bunsen et Gustav Kirchhof) ainsi que via les travaux des confrères qu'il rencontrait au cours de ses nombreux voyages à travers l’Europe.

Pourquoi classer les éléments chimiques, et qui a commencé ?

Le développement rapide de la chimie avait très vite rendu nécessaire une classification des éléments connus. Mais quel critère choisir ?

L'idée ne vient pas de Mendeleiev. Antoine de Lavoisier, dès 1789 avait proposé une classification des 37 corps simples connus à son époque. Il les avait regroupés en fonction de certaines de leurs propriétés chimiques. Malheureusement, il avait inclus la lumière et la chaleur dans sa liste. Le génie ne rend pas forcément infaillible !

Il y eut de nombreuses autres tentatives de classement qui n'aboutirent sur rien de convaincant. Il fallut attendre Lothar Meyer, un chimiste allemand inconnu de Mendeleiev, qui conçut en 1864 une classification périodique pratiquement identique à celle de Mendeleiev, mais qui ne permettait ni de prévoir l'existence de nouveaux éléments ni de corriger les masses atomiques.

Il faut également citer la classification de John Newlands datée de 1865, dans laquelle il avait suggéré une périodicité, qu'il avait appelé «loi des octaves »,où les propriétés d'un élément quelconque se répètent pour le huitième élément qui le suit dans la table.

Rappelons qu'à l'époque de Mendeleiev, la structure atomique de la matière était loin d'être admise par la communauté scientifique. Ainsi, Marcellin Berthelot, le grand chimiste français, était un anti-atomiste convaincu… sauf pour la spectroscopie (!). On ignorait tout de la structure de l'atome (l'électron fut découvert par Joseph John Thomson en 1897 et le noyau atomique par Ernest Rutherford en 1911, soit respectivement 28 et 42 ans après la publication de la classification de Mendéleiev). Or, c'est cette structure qui est la base de la construction de la classification.

La seule propriété des éléments connue avec précision était leur masse atomique. C'est cette donnée que Mendeleiev utilisa pour les 63 éléments chimiques connus,en les classant par ordre croissant de masses atomiques et en disposant dans une même colonne les éléments ayant des propriétés chimiques semblables. Cela revenait pour la masse à compter le nombre de protons et de neutrons (découverts bien plus tard par James Chadwick en 1932), et pour les propriétés chimiques à dénombrer les électrons.

Ce faisant, il découvrit une périodicité de sept, qui devint une périodicité de huit après la découverte des gaz rares dont Mendeleiev ignorait l'existence. La table moderne comporte également les périodicités de 8, 18 et 32, mises en évidence plus tard.

Mais en réalité, Mendeleiev découvrit bien plus que cela : il découvrit des trous dans le tableau !

Convaincu de la justesse de sa classification, il en conclut que ces trous correspondaient à des éléments manquants, non connus, dont il prédit la méthode de préparation, grâce à leurs propriétés chimiques. On ne peut faire plus prédictif ! Un véritable coup de génie.

Le tableau périodique actuel

Les éléments manquants, le gallium (François Lecoq de Boisbaudran, 1875), le germanium (Clemens Winkler, 1886) et le scandium (Lars Fredrik Nilson, 1879), le technetium (Carlo Perrier et Emilio Segrè, 1937) furent en effet découverts plus tard, avec les masses atomiques et les propriétés prédites par Mendeleiev.

Le tableau moderne n'est plus construit à partir de la masse atomique, mais à partir du numéro atomique qui correspond au nombre de protons du noyau. Cela a conduit à réarranger certains éléments, sans tenir compte de leur masse atomique expérimentale. Un cas typique est le tellure qui se trouve avant l'iode dans le tableau, bien que sa masse atomique soit plus grande. Ce résultat contredit la prédiction de Mendeleiev : « La masse atomique d'un élément peut parfois être modifiée par une connaissance de la masse de ses éléments contigus. Ainsi, la masse atomique du tellure doit se trouver entre 123 et 126, et ne peut pas être 128 ». La masse atomique du tellure est 127,6. On ne peut pas avoir raison toujours ...

Aujourd’hui, le tableau périodique ne comporte pas moins de 118 éléments, classés en 18 colonnes. Les derniers éléments : ununtrium (élément 113), ununpentium (115), ununseptium (117) ainsi que l’ununoctium (118) ont été intégrés en 2015, non sans débats entre chimistes et physiciens. Leur découverte fut annoncée au cours d'une réunion par l’Union internationale de chimie pure et appliquée le 30 décembre 2015. On leur attribua des noms définitifs, peu de temps après, quand les scientifiques furent dans leur majorité convaincus de leur existence : le nihonium (numéro atomique 113, en l'honneur du Japon), le moscovium (115, en l'honneur de la Russie), le tennesse (117 pour les Etats-Unis) et l’oganesson (118, en l'honneur du physicien Iouri Oganessian). Ces noms honorent soit leurs découvreurs, soit leur pays. Ces nouveaux éléments ont ainsi rejoint les 114 éléments précédemment découverts. Le tableau périodique près de 150 ans après Dimitri Mendeleiev voit enfin complétée sa septième ligne. (Nature.com sous le titre The battle behind the periodic table's latest additions.)

Mais est-ce la fin de l'aventure ? Pourra-t-on synthétiser des éléments plus lourds, voire superlourds ?

Il existe beaucoup d'hypothèses. On admet en général que l'élément ultime serait l'élément 126, mais Richard Feynman, physicien américain suggéra en 1948 qu'on pourrait aller jusqu'à 137 et des calculs récents proposent même une limite de 173. Les éléments lourds ont tendance à devenir moins stables, sauf pour des valeurs particulières du nombre de protons et de neutrons, appelés « nombres magiques », qui définissent ce que les physiciens appellent des îlots de stabilité. Les sept nombres magiques vérifiés expérimentalement sont : 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Un modèle théorique suppose que 184 pourrait être le 8^e nombre magique, ce qui reste à vérifier par l'expérience.

Tous ces hypothétiques éléments lourds seront évidemment artificiels, obtenus par bombardement avec des neutrons ou par la collision de deux noyaux stables. D'une durée de vie en général très faible, ils seront très difficiles à observer, sauf les éléments correspondant aux nombres magiques.

Pour ces derniers, la construction logique du tableau est quelque peu malmenée. L'apparition de phénomènes complexes impliquant des effets relativistes (les électrons périphériques gravitant autour du noyau ont une vitesse proche de celle de la lumière) fera sans doute disparaître la périodicité du tableau, qui ne méritera plus l'adjectif « périodique » !

Le tableau, reflet de l'Univers ?

Les éléments légers, hydrogène, hélium, lithium ont été formés aux premiers instants de l’Univers, quelques minutes après le Big Bang. Les éléments plus lourds pour la plupart résultent de réactions nucléaires au coeur des étoiles. C’est là que se sont formés tous les éléments que nous connaissons jusqu'au fer qui est un élément très stable. Les éléments plus lourds que le fer résultent de l'explosion en supernova des étoiles en fin de vie. Ils se retrouvent dans les générations suivantes d’étoiles et de planètes. Ainsi qu'on le voit, le tableau de Mendeléiev évolue encore.

Après le Big Bang, après les supernova, l'humanité, avec ses éphémères éléments lourds vient apporter sa petite pierre à l'édifice.