Le cimetière des éléments

1869-1919: avec le cinquantenaire des premiers pas sur la Lune, l’autre grande commémoration de cette année, ce sera celle des 150 ans du plus grand accomplissement de la chimie: la classification périodique des éléments, dite de Mendeleïev.

Certes, le tableau a bien changé depuis les premiers brouillons à 6 colonnes et 19 lignes du chimiste russe. Et 150 ans plus tard, il est devenu non seulement l’ornement indispensable à toutes les salles de classe, du monde mais peut-être la figure la plus connue de toute l’iconographie scientifique. Sûrement la plus symbolique de l’une des activités préférées des scientifiques: classer les choses. Et on ne peut s’empêcher de le regarder avec fascination, cet arrangement de petites cases colorées bien ordonnées, qui nous raccroche un peu au vieux fantasme des 4 éléments. L’air que nous respirons, un diamant, de la glace au chocolat, nos globules rouges et le sable martien: tous les matériaux du monde sont construits à partir des 118 petites briques de lego qu’on a réussi à caser dans le tableau.

Dans l’ombre du tableau

Cette année, on va donc célébrer l’intuition géniale de Dmitri Mendeleïev, qui parvint à ranger de manière cohérente les éléments connus à l’époque, et (encore mieux) à prédire les propriétés de ceux qui restaient à découvrir. Et on fixe ça au mois de février 1869. Mais comme toujours, choisir une date symbolique, c’est résumer un peu vite les choses. Il s’écoule plus d’un siècle entre Lavoisier qui définit ce qu’est un élément et Moseley qui donne à la classification la forme qu’on lui connaît aujourd’hui. En passant par Dalton, Davy, Avogadro, Perrin et beaucoup d’autres. Et naturellement, le progrès en chimie n’est ni un long fleuve tranquille, ni une marche triomphale. Donc au lieu de parler de ce qu’on a mis dans cette table… on va parler de tout ce qui n’y est pas !

Il faut bien réaliser que quand les choses deviennent sérieuses à la fin du XVIIIe siècle, on ne sait pas encore ce qu’est un atome[1]. Corps pur, corps simple, élément: tout ça est encore assez confus. Alors on chauffe, on attaque à l’acide, on distille, on électrolyse, on enflamme, on réduit… et quand on arrive à un petit résidu qu’on n’arrive plus à décomposer, on suppose qu’on a trouvé quelque chose d’élémentaire. Et parfois, inévitablement, on se trompe.

Les éléments fantômes

Pendant les 80 ans qui séparent Lavoisier de Mendeleïev, les chimistes découvrent 37 éléments chimiques (ce qui fait déjà 63 en tout). Parfois il y a quelques problèmes de communication: certains ont donc été « découverts » deux ou trois fois: du coup, le vanadium s’est d’abord appelé panchromium, puis erythronium[2]. Le ruthénium aurait pu s’appeler vestium, le palladium ceresium, le cérium ochroïte — et un peu plus on était censé apprendre à prononcer klaprothium !

Mais saviez-vous qu’on avait aussi découvert l’australium, le sidericum, le didymium ? Non ? C’est sûrement parce qu’en fait… ces éléments n’existent pas ! Pas plus que l’aridium, le pelopium, le niccolanum, et des dizaines d’autres découvertes jamais validées. Parmi les nombreux chimistes qui se sont trompés, il y a les champions de la loose: le Hongrois Anton Ruprecht et son étudiant Matteo Tondi. En 1790, ils clament avoir découvert pas moins de 5 éléments d’un coup ! Hélas, personne n’arrivera jamais à confirmer l’existence du borbonium, de l’austrium[3], du parthenium, de l’apulium et du bornium. Et le pire, c’est qu’a posteriori on constatera que leurs échantillons de minerai contenaient vraiment plein d’éléments nouveaux: le calcium, le baryum, l’aluminium, le bore et le magnésium seront isolés quelques années plus tard !

Perseverare diabolicum ?

Le XIXe siècle avance, la chimie avec, et à grands pas. On commence à y voir plus clair avec le tableau de Mendeleïev, et on va bientôt inventer un nouveau moyen très pratique pour identifier les éléments chimiques: la spectroscopie. Oui mais voilà, ceux qu’on a trouvés en premier, c’était les plus abondants, les plus stables, ou les plus faciles à isoler. Plus on remplit le tableau, plus c’est difficile. La découverte des isotopes (auxquels on voudra, au début, donner un nom plutôt qu’un numéro) va encore ajouter aux malentendus. Et donc on continue à faire de fausses découvertes. Ostranium, melinum, donarium, hebeium, junonium, aurorium… jusqu’à la fin du siècle, les éléments qu’on découvre alors qu’ils n’existent pas s’empilent encore plus vite que les vrais !

Le record du nombre d’embûches, c’est la quête du hafnium. Dès la fin du XVIIIe siècle, le chimiste allemand Martin Klaproth, en manipulant du minerai riche en zirconium, avait isolé un résidu inconnu. Pendant plus d’un siècle, des générations de chimistes vont chercher le mystérieux élément systématiquement associé au zirconium. Ils seront nombreux à avoir cru réussir, et ils vont le baptiser tour à tour stranium, norium, jargonium, nigrium, euxenium, oceanium…  sans qu’aucune de ces découvertes ne soit validée. Il faut attendre 1922 pour que les chimistes hongrois George de Hevesy[4] et néerlandais Dirk Coster isolent définitivement l’élément 72 !

Le Nobel accidentel

Et on arrive au cas le plus célèbre: les deux éléments chimiques qui n’existaient pas… et qui ont valu à leur découvreur le prix Nobel ! En 1930, l’uranium (numéro 92) est l’atome le plus lourd qu’on connaît[5]. Enrico Fermi, professeur à Rome, s’intéresse à la radioactivité bêta: certains éléments radioactifs émettent des électrons. Après la découverte du neutron en 1932, on comprend que c’est parce que dans leur noyau un neutron se transforme en proton. Fermi modélise tout ça, invente au passage le neutrino, et a l’idée de bombarder de l’uranium avec des neutrons (lents): si les noyaux d’uranium absorbent un ou deux neutrons, et que ceux-ci se changent en protons, on aura fabriqué un noyau plus lourd !

Et en effet, il obtient un produit radioactif inconnu. Mais il reste prudent: en 1934 il publie ses résultats sous le titre « possible production of elements of atomic number higher than 92 ». Même s’il n’a pas les moyens de les analyser de manière plus approfondie, il les nomme ausénium (93) et hesperium (94). Et en décembre 1938, sa découverte lui vaut le prix Nobel de physique.

Une semaine après l’attribution de ce prix, Otto Hahn, Lise Meitner et Otto Frisch refont l’expérience… et réalisent que les produits ne sont pas super-lourds, mais plus légers: il y a par exemple un isotope inconnu du baryum. Seule explication possible: au lieu d’être absorbés par les noyaux d’uranium, les neutrons les ont brisés en morceaux plus petits[6]! Trop occupé à vouloir produire de nouveaux éléments, Fermi vient de rater la découverte de la fission nucléaire. C’est seulement en 1940 qu’on fabriquera les véritables éléments 93 et 94, baptisés cette fois (assez logiquement puisqu’ils suivent l’uranium) neptunium et plutonium. « Neptunium », un nom qui revenait de loin, puisqu’il avait déjà été proposé pas moins de 3 fois pour des éléments imaginaires ! Fermi, lui, se rattrapera en réalisant à Chicago, en 1942, la première réaction de fission nucléaire en chaîne (première étape du projet Manhattan).

Aux oubliettes

Dans la seconde moitié du XXe siècle, la quête de nouveaux éléments (tous synthétiques donc, et de plus en plus lourds et instables) relèvera désormais de la physique plus que de la chimie. Et toutes ces histoires de fausses découvertes, me direz-vous, sont donc de l’histoire ancienne: de nos jours, plus de place pour ces vaines controverses… Eh bien pas tout à fait ! Si, il y a 4 ans, on a enfin complété la 7ème ligne de la classification périodique, ça n’a pas été sans de longs débats: sur la réalité même des observations, sur la paternité des découvertes, et enfin sur le nom des nouveaux éléments.  Ainsi le kurchatovium, le hahnium et le joliotum ont-ils rejoint la longue liste des éléments morts-nés.

Tellement longue, en fait, que la « table fantôme » compterait encore plus d’éléments que les 118 de la table réelle ! Une bonne façon de se rappeler que l’achèvement de quelque chose d’aussi solide et ordonné que le tableau périodique ne se fait pas sans maints tâtonnements, erreurs, maladresses et autres annonces trop hâtives. Mais que malgré tout, au bout du compte, on y arrive.


Aller plus loin

  • Parmi tous les savants qui ont donné leur nom à un élément, n’est-il pas surprenant de ne trouver ni Lavoisier, l’inventeur du concept, ni Sir Humphry Davy, découvreur de 5 éléments au début du XIXe siècle ? Mais en fait ils ont chacun été honorés lors de la découverte d’un métal… imaginaire ! Pas de chance pour eux, le lavœsium et le davyum,  tous deux annoncés en 1877, sont tombés aux oubliettes.
  • Mendeleïev lui-même avait fait des erreurs, notamment en prédisant l’existence d’atomes plus légers que l’hydrogène (le newtonium et le coronium) et, à l’inverse, en ayant beaucoup de mal à reconnaître la découverte des gaz rares par Rayleigh et Ramsay, qui ajoutaient d’un coup une colonne entière au tableau. Lord Ramsay qui, lui aussi, aurait sûrement mérité un élément à son nom… et qui s’est, lui aussi, retrouvé impliqué dans une découverte erronée: celle du nipponium. Bref, personne n’est à l’abri.

Évidemment le sujet est tellement vaste qu’on ne fera pas le tour de toutes les références sur la classification périodique, mais voilà au moins quelques débuts de pistes:


[1] Et naturellement encore moins un noyau, un proton ou un électron, qui sont si pratiques aujourd’hui quand on explique la classification périodique. Le point positif, c’est que sans le vouloir on va réussir à identifier des éléments (par exemple le tungstène, le fluor, l’uranium) alors qu’on ne les a pas véritablement isolés.
[2] Qu’y-a-t-il dans le nom d’un élément chimique ? On en a déjà parlé dans cet ancien billet !
[3] Pas moins de 3 fois, des chimistes ont cru avoir découvert un élément, et l’ont baptisé en l’honneur de l’Autriche. 3 ratés !
[4]  Qu’ils baptisent « hafnium », parce qu’ils travaillaient avec Niels Bohr à Copenhague — Hafnia étant l’ancien nom latin de la ville. Hevesy  est célèbre aussi pour une autre anecdote: avant la seconde guerre mondiale, les physiciens allemands Max von Laue et James Franck s’étaient réfugiés au Danemark. De là ils parvinrent à gagner les États-Unis avant le début de l’occupation nazie, mais ils laissèrent leurs médailles Nobel (en or) dans le laboratoire de Bohr. Pour éviter qu’elles ne fussent volées par les Nazis, Hevesy décida de les dissoudre dans l’eau régale. La guerre terminée, il récupéra les bouteilles intactes, fit re-précipiter l’or et le renvoya en Suède pour que les médailles soient refondues.
[5] Et c’était de fait l’élément le plus lourd qu’on trouve naturellement sur Terre.
[6] Seulement les noyaux d’uranium 235, pas ceux d’uranium 238, beaucoup plus nombreux mais non fissiles. C’était en fait la seconde fois que Hahn et Meitner refaisaient les expériences: en 1935, leurs résultats allaient plutôt dans le même sens que ceux de Fermi. Au final, cette même expérience de bombardement d’uranium par des neutrons aura donc conduit à 3 prix Nobel distincts (dont… aucun pour Lise Meitner).

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