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Définition et synonyme de : ÉLÉMENTS (THÉORIES DES)

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Article publié par Encyclopaedia Universalis ÉLÉMENTS (THÉORIES DES) La chimie a une longue histoire derrière elle. Aussi le sens de nombreux termes usuels n'est-il plus du tout celui qu'ils avaient au moment où ils furent introduits : l'hélium est présent dans le Soleil (hélios, en grec), mais aussi sur notre planète ; les terres rares ne le sont pas, elles abondent en Chine en particulier ; l'alcool n'a rien à voir avec le khôl des élégantes arabes, comme le suggéraient les alchimistes d'antan, etc. Il en va de même de la notion d'élément. Le sens que ce mot revêtait pour les philosophes grecs de l'Antiquité, l'ultime état dans la décomposition de la matière, n'est plus du tout le sens courant pour les chimistes d'aujourd'hui. L'analyse chimique, si elle a e e eu parmi ses objectifs, surtout durant les xviii et xix siècles, l'établissement d'une liste se voulant exhaustive des éléments naturels, s'en est largement affranchie. La raison en est la classification périodique des éléments, que Dmitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907) introduisit en 1871. Ce tableau ordonné de l'ensemble des éléments chimiques, tant connus qu'à découvrir, eut valeur programmatique : les chercheurs remplirent les cases vides, et continuent aujourd'hui encore à prolonger la classification périodique par des éléments artificiels, aux noyaux lourds créés dans des accélérateurs de particules. La mutation dont il sera question intervint vers les années 1950.
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ÉLÉMENTS (THÉORIES DES)

La chimie a une longue histoire derrière elle. Aussi le sens de nombreux termes usuels n'est-il plus du tout celui qu'ils avaient au moment où ils furent introduits : l'hélium est présent dans le Soleil (hélios, en grec), mais aussi sur notre planète ; les terres rares ne le sont pas, elles abondent en Chine en particulier ; l'alcool n'a rien à voir avec le khôl des élégantes arabes, comme le suggéraient les alchimistes d'antan, etc. Il en va de même de la notion d'élément. Le sens que ce mot revêtait pour les philosophes grecs de l'Antiquité, l'ultime état dans la décomposition de la matière, n'est plus du tout le sens courant pour les chimistes d'aujourd'hui. L'analyse chimique, si elle a eu parmi ses objectifs, surtout durant les xviiie et xixe siècles, l'établissement d'une liste se voulant exhaustive des éléments naturels, s'en est largement affranchie. La raison en est la classification périodique des éléments, que Dmitri Ivanovitch Mendeleïev (1834-1907) introduisit en 1871. Ce tableau ordonné de l'ensemble des éléments chimiques, tant connus qu'à découvrir, eut valeur programmatique : les chercheurs remplirent les cases vides, et continuent aujourd'hui encore à prolonger la classification périodique par des éléments artificiels, aux noyaux lourds créés dans des accélérateurs de particules.

La mutation dont il sera question intervint vers les années 1950. Elle superposa à l'ancienne notion d'élément, comme ultime constituant de la matière, celle d'un territoire sur une carte géographique, à l'instar d'un département sur une carte de France. Examinons cette analogie. Soit par exemple le fer. Il existe une case correspondante du tableau périodique, dénommée « fer ». Elle porte le numéro 26, car le noyau des atomes de fer, quels qu'ils soient, contient 26 protons. On repère donc cette case par son numéro atomique, 26. Mais diverses espèces de fers y sont logés. Ce sont, d'une part, les isotopes de cet élément, c'est-à-dire des populations d'atomes de fer ayant différents nombres de neutrons dans leurs noyaux : 29, 30, 31... ; et, d'autre part, des atomes aux cortèges électroniques comptant 26 électrons (ce qui définit le fer métallique), ou moins. Ainsi, des états usuels du fer sont constitués d'atomes ayant seulement 24, 23 ou 20 électrons périphériques. On parle d'états d'oxydation du fer, et ceux qui viennent d'être mentionnés sont les ferII, ferIII et ferVI, pour leur donner leur symbolique conventionnelle. Or chacune de ces espèces, chacune de ces variantes de l'« élément » fer possède sa propre chimie, c'est-à-dire un ensemble de propriétés structurales et réactionnelles qui la différencient fortement des autres états d'oxydation du fer. Ainsi, chacune des cases du tableau périodique, pour un élément singulier, est composite. L'ancienne notion d'élément est abolie.

Mais revenons à l'analogie du tableau périodique avec la carte d'un pays. Cette dernière montre des traits caractéristiques, des régions. Par exemple, la région Provence-Alpes-Côte d'Azur inclut la partie française de la chaîne des Alpes. De même, le tableau périodique des éléments montre des regroupements en familles.

Lorsque la classification périodique se déploie dans sa présentation courante, bidimensionnelle, avec des colonnes et des lignes ou périodes, lesdites familles regroupent des éléments – des cases vaudrait-il mieux dire – aux propriétés chimiques similaires. C'est d'ailleurs ce qui conduisit Mendeleïev à sa découverte. Cela est vrai verticalement : colonnes des éléments alcalins (qu'ouvre le lithium), alcalino-terreux (béryllium), halogènes (fluor), etc. Cela est vrai aussi horizontalement, pour certaines séquences de cases : lanthanides, allant du numéro atomique 57 à 70, actinides, allant de 89 à 102 ; et quatre triades, comportant chacune trois éléments aux propriétés apparentées, dont la première, dans l'ordre des numéros atomiques croissants, comporte justement le fer, accompagné du cobalt et du nickel. Mais ce n'est pas tout. La structuration topographique des cases du tableau périodique distingue aussi deux sous-ensembles : les éléments dits des groupes principaux, et les éléments dits de transition. Ces derniers correspondent aux quarante cases allant des numéros 21 à 112.

Qui plus est, le travail des chimistes s'organise effectivement suivant ces subdivisions du tableau périodique. Certains explorent la chimie du silicium, élément de la famille du carbone, ce dernier étant le fondement de la chimie organique. D'autres font de même pour la chimie du bore ou celle du phosphore. La chimie des éléments de transition regroupe aussi de nombreux chimistes.

Faut-il conclure de tout cela que la notion d'élément est caduque, et qu'elle n'a plus guère d'importance pour les chimistes ? Oui, dans la mesure où la notion de système périodique des éléments est devenue la notion capitale, plutôt que celle d'un élément individuel, dont nous avons vu combien elle s'est diluée, démultipliée qu'elle se trouve par l'existence des isotopes et des états d'oxydation. Non, car la notion d'élément ou plutôt d'un élémentaire perdure dans la doctrine chimique actuelle. Les particules élémentaires qui interviennent dans les raisonnements des chimistes, celles qui sont invoquées dans le quotidien des laboratoires, sont au nombre de seulement trois : le proton, le neutron, et l'électron. L'atome des chimistes ignore toutes les autres particules élémentaires. Son noyau associe des protons et des neutrons. Il est fait en outre d'électrons répartis sur des états d'énergie quantifiés. Cette description de l'atome est isomorphe avec le tableau périodique, au moins en première approximation.

Les éléments des philosophes présocratiques étaient au nombre de quatre – eau, air, terre et feu. Les éléments véritables des chimistes d'aujourd'hui sont eux aussi en tout petit nombre, protons, neutrons et électrons, dont la chimie tout entière est une vaste combinatoire.

Auteur: PIERRE LASZLO