Histoire du tableau périodique : des triades à l'achèvement de la septième période

Le tableau périodique accroché au mur des salles de classe n'est pas l'invention d'une seule personne. Les chimistes ont passé une grande partie du XIXe siècle à chercher un ordre parmi les éléments, la physique du XXe siècle a expliqué pourquoi cet ordre existe, et les dernières cases vides de la septième ligne n'ont été remplies qu'au XXIe siècle. Ce guide retrace cette histoire à travers ses moments clés.

Le contexte : plus d'éléments, de meilleures masses atomiques

À la fin du XVIIIe siècle, Antoine Lavoisier formula l'idée moderne d'élément, une substance qu'on ne peut pas décomposer davantage. Au début du XIXe siècle, la théorie atomique de John Dalton se répandit, et les chimistes admirent que chaque élément possède une masse atomique caractéristique. De nouvelles techniques, d'abord l'électrolyse puis la spectroscopie, ajoutèrent des éléments à un rythme rapide. Dans les années 1860, on en connaissait plus de soixante, et la question évidente était de savoir comment les organiser.

Le congrès international de chimie tenu à Karlsruhe en 1860 fut une étape importante. Il contribua à diffuser un système cohérent de masses atomiques fondé sur l'hypothèse d'Avogadro, et ce n'est qu'à partir de là que ranger les éléments par masse atomique devint un exercice pertinent.

Les triades de Döbereiner (1817–1829)

À partir de 1817 environ, le chimiste allemand Johann Wolfgang Döbereiner remarqua qu'en regroupant trois éléments chimiquement semblables, la masse atomique de celui du milieu est proche de la moyenne des deux autres. En 1829, il avait décrit plusieurs groupes de ce type, qu'il appela triades.

• calcium, strontium, baryum
• chlore, brome, iode
• lithium, sodium, potassium

La moyenne des masses atomiques du lithium et du potassium, par exemple, est proche de celle du sodium. Les triades ne couvraient pas tous les éléments, mais elles furent le premier signe clair que propriétés chimiques et masses atomiques sont liées numériquement. Les trois triades sont toujours réunies dans le tableau moderne, dans les groupes 2, 17 et 1.

Newlands et la loi des octaves (1864–1866)

À partir de 1864, le chimiste anglais John Newlands publia une série d'articles montrant que si l'on range les éléments connus par masse atomique, des propriétés semblables tendent à réapparaître tous les huit éléments. Il compara cela à la gamme musicale, où la huitième note répète la première, et parla de loi des octaves.

Le schéma fonctionnait bien pour les éléments légers mais s'effondrait après le calcium. Newlands ne laissait pas non plus de place pour des éléments non découverts et forçait parfois deux éléments dans une même position. Lorsqu'il présenta son idée à la Chemical Society de Londres en 1866, l'accueil fut froid ; un membre lui aurait demandé si ranger les éléments par ordre alphabétique ne révélerait pas un schéma semblable. La reconnaissance vint bien plus tard, lorsque la Royal Society lui décerna la médaille Davy en 1887.

Le tableau périodique de Mendeleïev (1869)

En mars 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev publia un tableau qui rangeait les éléments par masse atomique tout en plaçant les éléments chimiquement semblables dans la même famille. À peu près au même moment, le chimiste allemand Lothar Meyer produisit un tableau très semblable fondé sur la périodicité de propriétés physiques comme le volume atomique. La Royal Society décerna aux deux hommes la médaille Davy en 1882.

Deux choix audacieux distinguèrent le tableau de Mendeleïev.

1. Il laissa des cases vides. Là où les propriétés ne concordaient pas, il refusa de forcer l'élément connu suivant à se placer et laissa une case vide pour un élément non encore découvert.
2. Il prédit ce qui les remplirait. Vers 1870, il décrivit en détail plusieurs éléments manquants, avec leur masse atomique, leur densité et la formule de leurs oxydes.

Il nomma ces éléments inconnus avec le préfixe sanskrit « éka- », qui signifie « un », au sens d'« une place au-delà » d'un élément connu.

L'épisode du gallium est le plus spectaculaire. La première mesure de la densité du gallium par Lecoq de Boisbaudran ne correspondait pas à la prédiction de Mendeleïev, environ 5,9 g/cm³. Mendeleïev lui suggéra de refaire la mesure, et une fois l'échantillon mieux purifié, le résultat se révéla proche de la valeur prédite. Le germanium concordait lui aussi très bien avec la masse atomique, la densité et les propriétés de l'oxyde annoncées. De tels succès transformèrent le tableau d'un système de classement en l'énoncé d'une loi de la nature.

Mendeleïev inversa aussi quelques paires dont les masses atomiques semblaient dans le mauvais ordre. Le tellure est plus lourd que l'iode, mais l'iode appartient clairement aux halogènes ; il plaça donc le tellure en premier. Il supposa que les mesures de masse atomique étaient erronées. La véritable explication viendrait des décennies plus tard.

Une nouvelle famille : les gaz nobles (1894–1898)

En 1894, Lord Rayleigh et William Ramsay isolèrent l'argon de l'air. Il ne réagissait avec rien et ne trouvait donc sa place dans aucun des groupes existants. Ramsay identifia ensuite l'hélium sur Terre, et en 1898 il découvrit avec ses collègues le néon, le krypton et le xénon. Il en résulta une colonne entièrement nouvelle, l'actuel groupe 18. Une découverte qui semblait pouvoir briser le tableau finit par en renforcer la régularité.

Moseley et le numéro atomique (1913)

Le tournant décisif vint avec la découverte que les atomes sont constitués d'un noyau et d'électrons. En 1913, le jeune physicien anglais Henry Moseley mesura les fréquences des rayons X caractéristiques émis par une série d'éléments bombardés par des électrons. Il constata que la racine carrée de la fréquence augmentait par paliers égaux d'un élément au suivant, et montra que ce palier correspond à la charge du noyau : le numéro atomique.

Dès lors, le tableau fut ordonné par numéro atomique plutôt que par masse atomique. Les paires gênantes comme tellure et iode, argon et potassium, ou cobalt et nickel, trouvèrent naturellement leur place. Les travaux de Moseley rendirent aussi évidents les numéros atomiques manquants, signalant des cases vides en 43, 61, 72, 75, 85 et 87, qui furent comblées au cours des décennies suivantes. Moseley fut tué à Gallipoli en 1915, pendant la Première Guerre mondiale, à l'âge de vingt-sept ans.

Le concept d'actinides de Seaborg (1945)

En 1940, le neptunium et le plutonium furent produits artificiellement, ouvrant l'ère des éléments au-delà de l'uranium. À l'époque, le thorium, le protactinium et l'uranium étaient considérés comme le prolongement des métaux de transition du bloc d, et l'on s'attendait à ce que les nouveaux éléments les suivent. Les tentatives de trouver les éléments 95 et 96 sur cette base échouaient sans cesse.

En 1945, le chimiste américain Glenn Seaborg proposa que les éléments à partir de l'actinium forment une série distincte qui remplit les orbitales 5f, tout comme les lanthanides remplissent les 4f. Ce concept d'actinides allait à l'encontre de l'avis de certains collègues, mais des expériences conçues à partir de lui menèrent à l'identification de l'américium et du curium, et la deuxième ligne sous le tableau prit sa forme moderne. Seaborg partagea le prix Nobel de chimie 1951, et l'élément 106, le seaborgium, devint un rare exemple d'élément nommé d'après une personne vivante.

L'achèvement de la septième période (2016)

À partir de la fin du XXe siècle, des laboratoires aux États-Unis, en Russie, en Allemagne et au Japon rivalisèrent pour fabriquer des éléments superlourds en faisant entrer en collision des noyaux dans des accélérateurs de particules. Les nouveaux éléments furent souvent confirmés à partir d'une poignée d'atomes, parfois d'un seul, en suivant leurs chaînes de désintégration.

Fin 2015, un groupe de travail conjoint de l'UICPA et de l'UIPPA (Union internationale de physique pure et appliquée) reconnut les découvertes des éléments 113, 115, 117 et 118. Leurs noms furent fixés en novembre 2016.

• 113, nihonium (Nh) : découvert au Japon, d'après le nom japonais du pays
• 115, moscovium (Mc) : d'après la région de Moscou
• 117, tennesse (Ts) : d'après l'État américain du Tennessee
• 118, oganesson (Og) : d'après le physicien russe Iouri Oganessian

Les 32 places de la période 7 furent ainsi toutes remplies, et le tableau atteignit sa forme actuelle de 118 éléments sans case vide. En 2019, les Nations unies célébrèrent le 150e anniversaire du tableau de Mendeleïev avec l'Année internationale du tableau périodique.

Et ensuite ?

Les efforts pour créer les éléments 119 et 120 se poursuivent. Leur succès ouvrirait une huitième période, et la théorie suggère qu'un nouveau bloc remplissant les orbitales g pourrait finir par apparaître. De même que les cases vides de Mendeleïev montraient la voie vers de nouvelles découvertes, le tableau actuel porte encore ses prochaines questions ouvertes.