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Définition de : ÉLÉMENT, chimie

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Article publié par Encyclopaedia Universalis ÉLÉMENT, chimie L'univers matériel tout entier n'est fait de rien d'autre que de ce qu'on appelle, précisément, les éléments. Sur la Terre, plus d'une centaine ont été identifiés. Ce que les lettres de l'alphabet sont à un texte, ou les notes de musique à une symphonie, les éléments le sont à toute matière, avec des règles qui les associent ou non : une grammaire de la matière. La description ci-dessus est convenable, mais elle est périmée. e Conceptuellement, elle est proche de celle en cours à la fin du xviii siècle et au e début du xix . En 1803, puis de façon plus affirmée en 1808, advint alors, sous la plume de John Dalton, la théorie atomique : un élément est fait d'atomes. Le formalisme atomique La révolution intellectuelle était telle qu'elle fit scandale tout au long du e xix siècle. À la fin de celui-ci, Marcelin Berthelot (1827-1907), chimiste et homme politique, faisait encore vigoureusement campagne à son encontre. Pourquoi une telle véhémence ? Parce que la science chimique était en passe de délaisser une notion opératoire au profit d'une notion formelle. Jusqu'à Dalton, la définition opératoire qui prévalait était celle de la substance indécomposable. Par exemple, et comme Lavoisier le démontra, l'eau pouvait être décomposée (essentiellement) en hydrogène et oxygène, puis recomposée à partir de ces mêmes éléments.
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ÉLÉMENT, chimie

L'univers matériel tout entier n'est fait de rien d'autre que de ce qu'on appelle, précisément, les éléments. Sur la Terre, plus d'une centaine ont été identifiés. Ce que les lettres de l'alphabet sont à un texte, ou les notes de musique à une symphonie, les éléments le sont à toute matière, avec des règles qui les associent ou non : une grammaire de la matière.

La description ci-dessus est convenable, mais elle est périmée. Conceptuellement, elle est proche de celle en cours à la fin du xviiie siècle et au début du xixe. En 1803, puis de façon plus affirmée en 1808, advint alors, sous la plume de John Dalton, la théorie atomique : un élément est fait d'atomes.

Le formalisme atomique

La révolution intellectuelle était telle qu'elle fit scandale tout au long du xixe siècle. À la fin de celui-ci, Marcelin Berthelot (1827-1907), chimiste et homme politique, faisait encore vigoureusement campagne à son encontre. Pourquoi une telle véhémence ? Parce que la science chimique était en passe de délaisser une notion opératoire au profit d'une notion formelle.

Jusqu'à Dalton, la définition opératoire qui prévalait était celle de la substance indécomposable. Par exemple, et comme Lavoisier le démontra, l'eau pouvait être décomposée (essentiellement) en hydrogène et oxygène, puis recomposée à partir de ces mêmes éléments. Mais toute définition opératoire bute sur sa réciproque : l'impuissance à décomposer un corps est-elle véritablement diagnostique d'un élément ? En toute logique, non. On crut, jusqu'en 1841, que l'oxyde d'uranium UO2 était un élément.

C'est l'une des raisons pour lesquelles le formalisme atomique prit la place de la définition analytique, celle qui faisait de l'élément le terme ultime des tentatives de décomposition. Lorsque, au début du xxe siècle, la physique rattrapa la chimie et qu'elle élucida la structure interne de l'atome, l'élément chimique s'identifia à un nombre entier, le numéro atomique, ou nombre de protons que comporte le noyau de l'atome. L'oxygène est l'élément numéro 8, l'uranium est l'élément numéro 92 ; et les chercheurs viennent de créer les éléments, artificiels et radioactifs, numéros 113 et 115.

En deux millénaires et demi, la pensée rationnelle est ainsi passée des quatre éléments des philosophes présocratiques (pour Empédocle, l'eau, l'air, la terre et le feu) à plus d'une centaine d'éléments connus actuellement. Ce faisant, et se retournant sur son passé pour le congédier, elle s'est convaincue aussi qu'aucun des quatre éléments d'Empédocle n'était authentiquement élémentaire.

Aux grandes étapes – Empédocle vers 450 avant J.-C., Lavoisier vers 1780, Dalton vers 1805, et Bohr vers 1920 – vient s'ajouter à partir de 1860 une autre contribution tout aussi déterminante, celle de la spectroscopie qu'inventèrent Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff. Son avènement se traduisit par la découverte de nombreux nouveaux éléments, augmentant notablement l'alphabet chimique.

Puis, Henri Becquerel, en 1896, découvrit la radioactivité. Peu après, Pierre et Marie Curie découvraient le radium. Au cours des désintégrations des atomes de cet élément, avec émissions de diverses radiations, différentes transmutations peuvent être observées : leurs noyaux, rendus instables par des nombres élevés de protons et de neutrons, se scindent spontanément pour former des éléments plus légers. Tous les éléments au-delà du numéro 92 sont radioactifs, dotés d'une instabilité nucléaire intrinsèque. De plus, la plupart d'entre eux sont artificiels.

La transmutation des éléments les uns dans les autres n'est pas restreinte aux seuls éléments lourds radioactifs. La quasi-totalité des éléments naturels se sont formés par transmutation. Le cœur des étoiles est le siège d'un processus dit de nucléosynthèse : la fusion des noyaux des atomes forme les éléments les uns à partir des autres, en commençant par le plus léger, l'hydrogène, qui est aussi et de très loin l'élément le plus abondant dans le cosmos. Cela permet d'avancer l'hypothèse que l'hydrogène est le seul véritable élément originel, puisque tous les autres s'en déduisent.

L'ensemble des éléments, connus ou inconnus, se rassemble en un tableau ou classification périodique que Dmitri Mendeleïev établit en 1871, et que la mécanique quantique permit d'expliquer vers 1930 seulement : une fois de plus, la chimie avait devancé la physique de quelques décennies.

À la recherche des « lettres » manquantes

Le tableau périodique de Mendeleïev eut une importance prémonitoire. Au nombre des cases vides du tableau, qui furent ensuite remplies, on peut citer notamment le scandium, le gallium, le germanium, le technétium, le rhénium et le polonium. Le regroupement des éléments chimiques en familles – les colonnes du tableau, telles que celles des éléments alcalins, alcalino-terreux ou halogènes – permit d'organiser les connaissances existantes. Il fonctionna aussi de façon programmatique, pour orienter les recherches. Toutefois, les nouveaux savoirs correspondaient à des « lotissements » : travaux sur les composés soufrés, menés longtemps à l'université de Caen, travaux sur les composés du phosphore à l'université de Toulouse, etc. Quant aux chercheurs, ils purent construire leurs contributions à la science chimique sur des ressemblances pressenties – mise au point, par exemple, de composés du silicium sur le modèle établi des composés du carbone –, car l'analogie sert de béquille à l'imagination. La métaphore joue ainsi un rôle très largement positif en sciences. Elle permet, par des incursions fondées sur une analogie, la conquête de nouveaux territoires. Mais elle sert aussi de paravent à une recherche d'imitation, plutôt que de création. Ce fut le cas, durant la seconde moitié du xxe siècle, de la chimie des organométalliques, composés associant un atome d'un métal et un reste organique. Il suffisait qu'un scientifique en vue fasse un usage mémorable d'un complexe de coordination du rhodium, par exemple, pour lancer toute une vogue des complexes du rhodium.

La notion d'élément, dans la pensée chimique, posséderait-elle donc une importance surtout historique ? Oui, si l'on réduit la science chimique, jusqu'à l'annonce par Mendeleïev de sa classification périodique, à n'avoir été qu'une chasse aux éléments, qu'un effort progressif vers leur isolement et leur caractérisation. Mais une telle vision est indûment restrictive. En effet, les chimistes accomplissaient simultanément l'isolement et la caractérisation de nombreuses substances naturelles, comme la quinine ou l'hémoglobine. La montée en puissance de la chimie moléculaire éclipsait déjà, à l'époque de Mendeleïev, cette quête des éléments inédits.

La chimie combinatoire et l'écriture d'une nouvelle grammaire chimique

Cependant, la notion d'élément conserve intact son pouvoir germinatif, qui est d'inciter les chercheurs à inventer et à découvrir de nouveaux composés, intéressants pour leurs propriétés. C'est ainsi que, dans les années 1950-1960, la découverte des composés des gaz rares mit à mal des notions tenues jusque-là comme établies, tout particulièrement celle de valence, et la règle dite de l'octet.

À présent, il existe une sous-discipline, qualifiée non sans redondance de « chimie combinatoire ». Elle met au point, par des processus systématiques automatisés, de nouveaux composés moléculaires testés pour leurs activités biologiques et de nouveaux matériaux espérés performants. Ces échantillons sont créés en toutes petites quantités, suffisantes pour leur évaluation, mais en très grand nombre de façon à diversifier leurs palettes. Les 100 000 Milliards de poèmes (1961), de Raymond Queneau, en fournissent une image et une traduction littéraires.

Retenons la principale leçon dégagée ici. Conçue seulement comme collection de procédés opératoires, et comme ensemble des transformations empiriques de la matière, la chimie relève de l'histoire naturelle. Dès lors, elle n'est ni prédictive ni capable de choisir des axes de recherche parmi son propre foisonnement. La notion d'élément l'illustre bien, la chimie n'acquiert de scientificité qu'au moyen de formalismes symboliques (atomes de Dalton ou de Bohr), en une véritable intellectualisation de la matière. Seules les représentations mentales, le tableau périodique par exemple, peuvent organiser la réalité de façon rationnelle et intelligible. La notion de formule résume admirablement cette toute prégnance du formalisme.

Auteur: Pierre LASZLO