Histoire de la classification periodique

Bien que Dimitri Ivanovich Mendeleïev soit souvent considéré comme le "père" du tableau périodique, sa présentation actuelle résulte de la contribution de nombreux scientifiques.


Au commencement

Henning Brand Avant de construire un tableau périodique, il fallait évidemment avoir découvert des éléments individuels.
Selon Empédocle (vers 493-433 av. J.C.), philosophe grec, toute chose se compose des quatre éléments principaux: terre, air, feu et eau. Renforcée par Aristote (384-322 av. J.C.), cette théorie perdurera jusqu'au 18ème siècle.
Même si les éléments tels que l'or, l'argent, le cuivre, l'étain, le mercure et le plomb étaient connus depuis l'antiquité, il fallut, pour assister à la première découverte scientifique d'un élément, attendre 1669, date à laquelle Henning Brand découvrit le phosphore.
Au cours des deux cents années suivantes, les chimistes acquirent de vastes connaissances sur les éléments et leurs composés. En 1869, date de publication du tableau périodique de Mendeleïev, 63 éléments étaient connus. Au fur et à mesure que le nombre des éléments découverts grandissait, des scientifiques commencèrent à reconnaître des similitudes entre certains d'entre eux et à mettre au point des schémas de classification.

Loi des triades

En 1817, Johann Döbereiner, un chimiste allemand, remarqua que la masse atomique du strontium se situait presque exactement entre celles du calcium et du baryum, éléments possédant des propriétés similaires. En 1829, après avoir découvert la triade des halogènes, composée du chlore, de l'iode et du brome, et celle des métaux alcalins, composée du lithium, du sodium et du potassium, il proposa que la nature contenait des triades d'éléments dont celui du centre avait les propriétés moyennes des deux autres quand on les rangeait selon leur masse atomique. Johann Dobereiner
 
Elément M. atom. M. vol. Elément M. atom. M. vol.
Cl 35.5 1.56 g/L Ca 40.1 1.55 g/cm3
Br 79.9 3.12 g/L Sr 87.6 2.6 g/cm3
I 126.9 4.95 g/L Ba 137 3.5 g/cm3

Ainsi naquit la loi des triades.

Ce nouveau concept devint un champ d'étude populaire. Entre 1829 et 1856, nombre de scientifiques (Jean-Baptiste Dumas, Leopold Gmelin, Ernst Lenssen, Max von Pettenkofer et J.P. Cooke) découvrirent que ce type de relations chimiques s'étendait bien au-delà des triades. Durant cette époque, le fluor fut ajouté aux halogènes; l'oxygène, le soufre, le sélénium et le tellure furent groupés en une famille tandis que l'azote, le phosphore, l'arsenic, l'antimoine et le bismuth furent classés dans une autre. Malheureusement, les recherches dans ce domaine étaient hypothéquées par le manque de précision de certaines masses atomiques.

Jean-Baptiste Dumas Leopold Gmelin Max von Pettenkofer
Jean-Baptiste Dumas Leopold Gmelin Max von Pettenkofer

Première tentative de création d'un tableau périodique

Si l'on considère le tableau périodique comme une classification des élements chimiques démontrant la périodicité de leurs propriétés chimiques et physiques, le crédit attribué au premier tableau (publié en 1862) devrait revenir au géologue français A. E. Beguyer de Chancourtois pour sa "vis tellurique". Ce dernier trancrivit sur un cylindre une liste des éléments rangés selon l'ordre croissant de leur masse atomique et qui s'arrêtait au tellure. Quand le cylindre était tel que l'on pouvait y inscrire 16 unités de masse par tour, les éléments de propriétés proches apparaissaient alignés verticalement. Ceci amena de Chancourtois à proposer que "les propriétés des éléments sont les propriétés des nombres". Il fut le premier à reconnaître que les propriétés des éléments se retrouvaient tous les sept éléments (à l'époque, on ne connaissait pas les gaz rares) et, en utilisant sa table, il fut capable de prédire la stoechiométrie de plusieurs oxydes métalliques. Malheureusement en plus d'éléments, sa table comprenait certains ions et composés.

Cliquer sur l'image pour passer de la publication originale de Beguyer de Chancourtois à une version actualisée avec des symboles modernes.


Vis tellurique

Loi des octaves

John Newlands, un chimiste anglais, publia en 1863 un papier qui classait les 56 éléments connus en 11 groupes, basés sur des propriétés physiques similaires et il nota que de nombreuses paires d'éléments similaires différaient en masses atomiques par quelque multiple de 8. En 1864, Newlands publia sa version du tableau périodique et proposa la Loi des octaves (par analogie avec les 7 intervalles de l'échelle musicale). Cette loi déclarait que n'importe quel élément se comporterait de façon semblable à son huitième successeur dans le tableau.
Les octaves de Newlands
H Li Ga B C N O John Newlands
F Na Mg Al Si P S
Cl K Ca Cr Ti Mn Fe
Co,Ni Cu Zn Y In As Se
Br Rb Sr Ce,La Zr Di,Mo Ro,Ru
Pd Ag Cd U Sn Sb Te
I Cs Ba,V Ta W Nb Au
Pt,Ir Tl Pb Th Hg Bi Cs
D'après Isaac Asimov, "A Short History of Chemistry," Doubleday & Company, Garden City, NY, 1965.

Qui est le père du tableau périodique?

Lothar Meyer Il n'y a pas d'accord quant à celui qui mérite le crédit de la "paternité" du tableau périodique, l'Allemand Lothar Meyer (photo à gauche) ou le Russe Dimitri Ivanovich Mendeleïev. Tous deux obtinrent des résultats très similaires tout en travaillant indépendamment l'un de l'autre.
Un manuel de Meyer, daté de 1964, comprenait une version assez abrégée d'un tableau périodique utilisé pour classifier les éléments. Ce dernier contenait environ la moitié des éléments connus, inscrits dans l'ordre de leur masse atomique, et démontrait des changements périodiques de valence en fonction de la masse atomique. En 1868, Meyer construisit un tableau plus exhaustif qu'il donna à un collègue pour évaluation. Malheureusement pour Meyer, le tableau de Mendeleïev fut publié en 1869 et devint ainsi disponible pour la communauté scientifique avant que le tableau de Meyer n'apparaisse en 1870.
A partir de son tableau, Mendeleïev émit son principe de la loi périodique et, en 1869, publia son travail "De la relation des propriétés des éléments à leur masse atomique". (voir son tableau original). Contrairement à de précédentes tentatives, ce tableau montrait des similarités non seulement dans de petits groupes comme les triades mais il en montrait dans un réseau complet de relations verticales, horizontales et diagonales. En 1906, il ne manqua qu'une voix pour que Mendeleïev ne reçoive le prix Nobel pour son travail.

A l'époque où il developpa son tableau, les masses atomiques, déterminées expérimentalement, n'étaient pas toujours précises. Mendeleïev réarrangea des éléments sans tenir compte de leur masse communément acceptée. Par exemple, il changea la masse du béryllium de 14 à 9 de façon à le placer dans le groupe 2 au-dessus du magnésium auquel il ressemblait plus qu'entre le carbone et l'azote. En tout, il trouva qu'il fallait déplacer 17 éléments de là où ils auraient dû se trouver selon leur masse atomique pour que leurs propriétés correspondent à celles d'autres éléments aux propriétés similaires. Ces modifications indiquaient que les masses acceptées de certains éléments étaient incorrectes. Cependant, même après avoir corrigé leur masse atomique, il fallait quand même placer certains éléments dans un ordre différent de celui dicté seulement par leur masse atomique.

A partir des cases vides de son tableau, Mendeleïev prédit l'existence et les propriétés d'éléments encore inconnus qu'il nomma éka-aluminium, éka-bore et éka-silicium. Les éléments gallium, scandium et germanium, découverts plus tard, correspondirent très bien à ses prévisions. En plus d'une publication antérieure à celle de Meyer, son travail fut plus étendu en prédisant des éléments nouveaux ou manquants.

Mendeleïev prédit l'existence de dix nouveaux éléments dont sept furent ensuite découverts. Les trois autres, de masse atomique 45, 145 et 175, n'existent pas. Il avait aussi tort en suggérant que les paires d'éléments argon-potassium, cobalt-nickel et tellure-iode devraient changer de position à cause de l'inexactitude des masses atomiques. Quoique ces éléments devaient changer de place, c'était à cause d'une erreur de raisonnement commise en stipulant que la périodicité était fonction de la masse atomique.

Découverte des gaz rares

En 1895, Lord Rayleigh rapporta la découverte d'un nouvel élément gazeux qui s'avéra chimiquement inerte. Cet élément ne trouvait sa place dans aucun groupe connu du tableau périodique.
Lord Rayleigh
En 1898, William Ramsey suggéra que l'argon soit placé dans le tableau périodique entre le chlore et le potassium, dans une famille avec l'hélium malgré le fait que la masse atomique de l'argon était plus grande que celle du potassium. On nomma ce groupe le groupe "zéro" d'après la valence nulle de ses éléments. Ramsey prédit avec précision la future découverte et les propriétés du néon. William Ramsey

La structure atomique et le tableau périodique

Même si le tableau de Mendeleïev démontrait la nature périodique des éléments, ce sont les scientifiques du 20ème siècle qui ont expliqué pourquoi les propriétés des éléments reviennent périodiquement.

En 1911, Ernest Rutherford publia une étude sur la dispersion des particules alpha par les noyaux d'atomes lourds ce qui conduisit à la détermination de la charge nucléaire. Il démontra que la charge nucléaire d'un noyau était proportionnelle à la masse atomique de l'élément. C'est aussi en 1911 que A. van den Broek, dans une série de 2 papiers, proposa que la masse atomique d'un élément était approximativement égale à la charge d'un atome. Cette charge, appelée plus tard numéro atomique, pourrait être utilisée dans le tableau périodique pour classer les éléments. En 1913, Henry Moseley, publia les résultats de ses mesures de longueurs d'onde des lignes spectrales de rayons x d'un certain nombre d'éléments; ils montraient que l'ordre des longueurs d'onde des émissions de rayons x par les éléments coïncidait avec l'ordre des éléments par numéro atomique. Avec la découverte des isotopes des éléments, il devint évident que la masse atomique ne jouait pas un rôle majeur dans la loi périodique comme l'avaient proposé Mendeleïev, Meyers et d'autres mais plutôt que les propriétés des éléments variaient périodiquement en fonction du numéro atomique.

Ernest Rutherford exp. de Rutherford Henry Moseley
Rutherford Dispersion des particules alpha Henry Moseley

Le pourquoi de l'existence de la loi périodique trouva sa réponse au fur et à mesure que les scientifiques comprenaient la structure électronique des éléments, en allant des études de l'organisation des électrons en couches par Niels Bohr aux découvertes de G. N. Lewis sur la liaison des paires d'électrons.

Niels Bohr G. N. Lewis
Niels Bohr G. N. Lewis

Le tableau périodique moderne

Les dernières modifications majeures au tableau périodique sont dues aux travaux de Glenn Seaborg au milieu du 20ème siècle. A partir de sa découverte du plutonium en 1940, il découvrit tous les transuraniens jusqu'à l'élément 102. Il reconfigura le tableau en plaçant la série des actinides au-dessous de celle des lanthanides. Pour son oeuvre, Seaborg reçut le prix Nobel en 1951 et l'élément 106 fut nommé en son honneur. Glenn Seaborg
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