Vis tellurique de Chancourtois

Alexandre de Chancourtois (X1838), précurseur de Mendeleïev

Dossier : La ChimieMagazine N°749 Novembre 2019
Par Sarah HIJMANS
Par Pierre AVENAS (X65)

L’Unesco a proclamé 2019 Année inter­na­tionale du tableau péri­odique des élé­ments chim­iques, pour mar­quer le 150e anniver­saire de la pub­li­ca­tion dans laque­lle Dmitri Mendeleïev (1834–1907) présen­tait son pre­mier tableau péri­odique. Pour autant, Mendeleïev n’était pas le pre­mier à met­tre en évi­dence une péri­od­ic­ité dans les pro­priétés des élé­ments en fonc­tion de leur masse. Ce mérite revient à Alexan­dre-Émile Béguy­er de Chan­cour­tois (X1838), qui a pro­posé en 1862 un classe­ment des élé­ments basé sur une hélice tracée sur un cylin­dre, dite « vis tellurique ».

Lavoisi­er ayant établi la notion mod­erne d’élément chim­ique en 1789, les chimistes ont très vite cher­ché à class­er les élé­ments en fonc­tion de leurs pro­priétés chim­iques. Par exem­ple, la famille des métaux alcalins (lithi­um, sodi­um, potas­si­um…), celle des métaux alcalinoter­reux (béryl­li­um, mag­né­si­um, cal­ci­um, stron­tium, baryum…) et celle des halogènes (flu­or, chlore, brome, iode) pré­fig­u­raient en quelque sorte les colonnes 1, 2 et 17 du tableau péri­odique actuel, qui en com­porte 18.

Les premiers balbutiements

En par­al­lèle de ces recherch­es basées sur les pro­priétés chim­iques, les chimistes menaient des recherch­es quan­ti­ta­tives, c’est-à-dire basées sur la notion de masse atom­ique qui s’affinait progressivement.

Les recherch­es quan­ti­ta­tives ont con­tin­ué dans les années 1850. On trou­vait alors de plus en plus de rap­ports numériques entre les mass­es des élé­ments, non seule­ment à l’intérieur de familles chim­iques, mais aus­si entre familles voisines. Pour établir un tableau péri­odique, il aurait suf­fi de regrouper ces familles en ordon­nant les élé­ments par mass­es crois­santes. Encore fal­lait-il y penser ! Cette démarche, il est vrai, se heur­tait au fait que les mass­es atom­iques dont dis­po­saient alors les chimistes étaient peu fiables, car les méth­odes de déter­mi­na­tion n’étaient pas encore satisfaisantes.

Pour­tant, dans les années 1860, des pro­grès très rapi­des allaient être réal­isés dans l’établissement de la clas­si­fi­ca­tion. Il est pos­si­ble que cela soit dû aux travaux du con­grès inter­na­tion­al de Karl­sruhe de 1860, qui ont per­mis de met­tre de l’ordre dans les déter­mi­na­tions des mass­es atom­iques et ont favorisé un con­sen­sus dans ce domaine entre les chercheurs des dif­férents pays. D’autre part, la décou­verte rapi­de de nou­veaux élé­ments, notam­ment grâce à la spec­tro­scopie, a facil­ité les recherch­es de clas­si­fi­ca­tion. C’est dans ce con­texte que la démarche inno­vante de Chan­cour­tois a abouti à la pre­mière véri­ta­ble mise en évi­dence d’une périodicité.


REPÈRES

Lorsque Mendeleïev pub­lie son célèbre tableau en 1869, on ne con­naît encore que 62 élé­ments. Son génie a été de prévoir l’existence d’éléments encore incon­nus, effec­tive­ment décou­verts par la suite, et situés désor­mais aux emplace­ments qu’il avait prévus dans son tableau. Cepen­dant, Alexan­dre-Émile Béguy­er de Chan­cour­tois (1820–1886) avait pro­posé dès 1862 un classe­ment des élé­ments basé sur une hélice tracée sur un cylin­dre, dite « vis tel­lurique ». Ce pre­mier sys­tème péri­odique n’était pas aus­si per­for­mant que celui pub­lié par Mendeleïev en 1869, mais il n’en con­sti­tu­ait pas moins une inno­va­tion majeure. 


Tableau périodique des éléments
2019, 190e anniver­saire des tri­ades de Döbere­in­er. Ses qua­tre tri­ades en relief sur les six pre­mières lignes du tableau péri­odique actuel.

Un géologue égaré parmi les chimistes

Professeur de géologie à l’École des mines

Chan­cour­tois, X1838 et ingénieur des Mines, fut pro­fesseur de géolo­gie à l’École des mines de Paris, et prési­dent de la Com­mis­sion de la Carte géologique détail­lée de France. Après des expédi­tions géologiques en Europe de l’Est et en Asie cen­trale, il a enseigné à par­tir de 1852 la géolo­gie, d’abord en tant qu’adjoint d’Élie de Beau­mont, puis comme tit­u­laire de la chaire en 1875 [cf. sa nécrolo­gie, Annales des Mines 1887, 11, p. 505.3]. En tra­vail­lant sur ce cours, il cher­chait un moyen de présen­ter de manière logique toutes les notions rel­a­tives aux roches et à leurs constituants.

C’est finale­ment lui qui a eu l’idée d’ordonner les élé­ments par mass­es crois­santes : il les a alignés le long de seg­ments inclinés à 45° pour con­stituer un tableau que l’on peut qual­i­fi­er d’oblique. Ain­si, il a cor­recte­ment placé les colonnes 1, 2, 13, 14, 15, 16 et 17 : le chlore se trou­vait posi­tion­né directe­ment en dessous du flu­or, le cal­ci­um en dessous du mag­né­si­um et le sili­ci­um en dessous du car­bone, par exem­ple. Ensuite, il a for­mé un cylin­dre en enroulant ce tableau de sorte que les seg­ments con­stituent une ligne héli­coï­dale con­tin­ue ; les familles se trou­vaient alors sur les généra­tri­ces du cylin­dre. Toute­fois, le tableau deve­nait faux à par­tir du cal­ci­um, car la méthode ne con­ve­nait pas pour le classe­ment des métaux de tran­si­tion (les futures colonnes 3 à 12).

Mal­gré ces insuff­i­sances, ce fut la pre­mière clas­si­fi­ca­tion mon­trant que, lorsque les élé­ments sont ordon­nés selon leur masse crois­sante, les pro­priétés chim­iques revi­en­nent péri­odique­ment. Il s’agit donc du pre­mier véri­ta­ble sys­tème périodique.

La vis tellurique

Chan­cour­tois a nom­mé sa clas­si­fi­ca­tion vis tel­lurique : « D’après son mode de réal­i­sa­tion et son orig­ine, je lui donne le nom sig­ni­fi­catif de vis tel­lurique », écrit-il dans le rap­port à l’Académie des sci­ences du 7 avril 1862. Un peu plus tard, le 5 mai de la même année, tout en pré­cisant que le nom lui a été sug­géré surtout par la place cen­trale de l’élément tel­lure sur la vis, il écrit que « l’épithète tel­lurique (…) rap­pelle très heureuse­ment l’origine géog­nos­tique, puisque tel­lus sig­ni­fie terre dans le sens le plus posi­tif, le plus fam­i­li­er, dans le sens de terre nourri­cière ». Ce pro­pos mon­tre bien que la géolo­gie était le point de départ des réflex­ions de Chan­cour­tois. Il voy­ait la forme héli­coï­dale comme étant idéale pour représen­ter une péri­od­ic­ité : ain­si, il a util­isé des méth­odes com­pa­ra­bles pour rechercher une logique math­é­ma­tique dans les rela­tions entre les dif­férentes for­ma­tions géologiques de la Terre.

Priorité aux nombres

Chan­cour­tois avait aus­si une vision math­é­ma­tique de la matière, selon laque­lle « les pro­priétés des corps sont les pro­priétés des nom­bres » (cf. son ouvrage de 1863, La Vis tel­lurique). Cette vision pour­rait expli­quer la pri­or­ité qu’il don­nait aux nom­bres plutôt qu’aux appar­te­nances à une famille chim­ique. Ain­si Chan­cour­tois n’a pas cor­recte­ment placé l’iode en dessous du chlore et du flu­or comme l’ont fait ses suc­cesseurs : le piège, c’est que, curieuse­ment, l’iode (aujourd’hui élé­ment 53) est plus léger que le tel­lure (aujourd’hui élé­ment 52). De plus, cette vision math­é­ma­tique le con­dui­sait à ten­ter de prédire des pro­priétés chim­iques à par­tir d’une fac­tori­sa­tion des mass­es des élé­ments, sup­posées entières. Dans cet esprit, il aurait aimé rap­procher la notion d’élément de celle de nom­bre premier.

Une classification imparfaite

L’approche éton­nante de Chan­cour­tois et les nom­breuses imper­fec­tions dans sa clas­si­fi­ca­tion pour­raient expli­quer en par­tie le fait que la vis tel­lurique n’ait pas eu autant de recon­nais­sance que le tableau de Mendeleïev. Pour­tant, cette pre­mière clas­si­fi­ca­tion péri­odique a ses mérites. L’importance du numéro atom­ique aujourd’hui con­firme en quelque sorte l’intuition de Chan­cour­tois qui voy­ait un rap­port étroit entre les nom­bres et la nature des corps. De même, son idée que ces nom­bres pou­vaient servir à prédire et à expli­quer les spec­tres de raies des élé­ments avait un côté prophé­tique : c’est au fond ce qu’apportera en 1913 la loi de Mose­ley reliant les fréquences (ν) des raies au numéro atom­ique (Z) de l’élément. Toute­fois, l’intérêt de cette vis tel­lurique n’a pas été véri­ta­ble­ment perçu à l’époque, d’autant plus que Chan­cour­tois ne fai­sait pas par­tie du cer­cle des chimistes.


Les triades entrent en scène

En 1817, le chimiste alle­mand Döbere­in­er iden­ti­fie une pre­mière « tri­ade » : trois élé­ments alcalinoter­reux (cal­ci­um, stron­tium et baryum) dont la masse de l’élément du milieu est égale à la moyenne des mass­es des deux autres. Ce con­cept prend corps avec trois autres tri­ades pub­liées en 1829, alig­nant des élé­ments qui sont super­posés dans le tableau péri­odique actuel. C’est la pre­mière décou­verte de rap­ports quan­ti­tat­ifs entre les mass­es d’éléments d’une même famille, et donc en quelque sorte un pre­mier pas vers le tableau péri­odique actuel, où ces rap­ports se com­pren­nent directe­ment. En 1843, Gmelin com­bine pour la pre­mière fois des tri­ades (c’est d’ailleurs lui qui a trou­vé ce nom) dans un tableau com­por­tant 55 élé­ments. Bien qu’on ne puisse pas encore con­sid­ér­er cette clas­si­fi­ca­tion comme étant péri­odique, elle regroupait déjà cor­recte­ment les élé­ments des futures colonnes 1, 2, 15, 16 et 17 du tableau actuel, du moins pour ses trois pre­mières lignes.


Une par­tie de la vis tel­lurique simplifiée.

De Chancourtois à Mendeleïev

Pen­dant les sept années suiv­ant la pub­li­ca­tion de la vis tel­lurique par Chan­cour­tois, qua­tre chimistes ont dévelop­pé des tableaux péri­odiques de plus en plus cor­rects. Pour la plu­part, ces clas­si­fi­ca­tions deve­naient erra­tiques, comme celle de Chan­cour­tois, à par­tir de la 3e ligne : alors que les élé­ments des colonnes 1, 2 et 17 appar­ti­en­nent, comme on l’a vu au début de cet arti­cle, à des familles chim­iques rel­a­tive­ment faciles à iden­ti­fi­er, il était beau­coup plus dif­fi­cile de class­er cor­recte­ment les métaux de tran­si­tion. En 1865, Odling était le pre­mier à sépar­er ces métaux de tran­si­tion des autres colonnes. Pour­tant, il fal­lut encore quelques années avant d’arriver à des tableaux prenant en compte ces élé­ments : celui de Lothar Mey­er (1870), où pré­fig­u­raient neuf colonnes, et celui de Mendeleïev (1869), com­por­tant les dix colonnes de métaux de transition.

Le tableau péri­odique de Mendeleïev, avec ses pré­dic­tions prin­ci­pales. Lorsqu’on déplace le bloc d’éléments entouré, on retrou­ve presque exacte­ment le tableau péri­odique d’aujourd’hui, bien qu’en posi­tion horizontale.

Le tableau de Mendeleïev était le pre­mier à être com­posé de 17 colonnes – de 17 lignes en fait, puisque sa présen­ta­tion était hor­i­zon­tale. Pour cette clas­si­fi­ca­tion, Mendeleïev a ordon­né les élé­ments par mass­es crois­santes, sauf lorsque, excep­tion­nelle­ment, cela con­tred­it les ressem­blances chim­iques : ain­si, il a inver­sé les places de l’iode et du tel­lure pour respecter leur appar­te­nance à des familles chim­iques (ce que Chan­cour­tois n’avait pas fait). Il a aus­si ajusté les mass­es du béryl­li­um et de l’ura­ni­um en fonc­tion de leurs places dans le tableau. Mendeleïev a donc pu utilis­er sa clas­si­fi­ca­tion pour iden­ti­fi­er des erreurs dans les mesures de mass­es des éléments !

Vis tellurique de Chancourtois
La vis tel­lurique, actuelle­ment dans la col­lec­tion de Mines ParisTech.

Vis tellurique de Chancourtois

Des prédictions fructueuses

Mendeleïev n’a pas seule­ment clas­si­fié des élé­ments déjà con­nus. De manière extrême­ment pré­cise, il a prédit très vite cer­taines pro­priétés de trois élé­ments encore incon­nus qu’il nom­mait l’eka-aluminium, l’eka-bore et l’eka-silicium (cf. E. Scer­ri, The Peri­od­ic Table, Oxford, 2007). Trois décou­vertes ont con­fir­mé ces pré­dic­tions : l’eka-aluminium a été décou­vert sous le nom de gal­li­um en 1875 par Lecoq de Bois­bau­dran, l’eka-bore sous le nom de scan­di­um par Nil­son en 1879 et l’eka-silicium sous le nom de ger­ma­ni­um par Win­kler en 1886. Le fait que ces élé­ments aient été effec­tive­ment trou­vés a con­sid­érable­ment con­tribué à la célébrité de Mendeleïev et de son tableau. Ces trois élé­ments sont les trois prin­ci­pales pré­dic­tions de Mendeleïev.

Plus tard, il fera d’autres pré­dic­tions, dont cinq cor­rectes (polo­ni­um, tech­nétium, rhéni­um, fran­ci­um et pro­tac­tini­um) mais moins pré­cis­es que les pre­mières, et… huit fauss­es (notam­ment 2 élé­ments qui seraient plus légers que l’hydrogène). Toute­fois, il était pra­tique­ment impos­si­ble pour Mendeleïev de prévoir la 18e colonne du tableau actuel. Ce sont le chimiste Ram­say et le physi­cien Rayleigh qui ont mon­tré en 1900 que les gaz nobles con­sti­tu­aient cette 18e colonne qui venait com­pléter le tableau, un peu comme la clé de voûte qui man­quait encore pour assur­er la sta­bil­ité d’un édifice.

“Gallium, scandium et germanium sont les trois principales prédictions
de Mendeleïev”

Épilogue numérique

On peut s’étonner d’un tel con­traste entre la célébrité de Mendeleïev et l’oubli dans lequel est tombé Chan­cour­tois. Celui-ci est pour­tant indé­ni­able­ment l’initiateur du con­cept de péri­od­ic­ité. Il faut admet­tre que Mendeleïev, en clar­i­fi­ant le tableau jusqu’à
17 colonnes et en étant capa­ble de prédire des élé­ments futurs, a don­né sa véri­ta­ble dimen­sion au tableau tel qu’il est con­nu aujourd’hui (à part la 18e colonne). Cepen­dant, en célébrant les 150 ans de la pub­li­ca­tion majeure de Mendeleïev, il est bon de rap­pel­er que 2019 est aus­si le 157e anniver­saire de la Vis tel­lurique de Chancourtois.


Références

Scer­ri, E., The Peri­od­ic Table : Its Sto­ry and Its Sig­nif­i­cance, Oxford Uni­ver­si­ty Press, 2007.

Van Spron­sen, J. W. L’histoire de la décou­verte du sys­tème péri­odique des élé­ments chim­iques et l’apport de Béguy­er de Chan­cour­tois, Con­férence don­née au Palais de la décou­verte, Alençon : Bernard Gris­ard, 1965.

Fuchs, E., « Notice nécrologique sur M. A.-E. Béguy­er de Chan­cour­tois, inspecteur général des mines », Annales des Mines 1887, 11, p.505.

Chan­cour­tois, A.-E. Béguy­er de, Vis tel­lurique, classe­ment naturel des corps sim­ples ou rad­i­caux obtenu au moyen d’un sys­tème de clas­si­fi­ca­tion héli­coï­dal et numérique, Paris : Mal­let-Bache­li­er, 1863.

Mendeleïev, D. I., « Die peri­odis­che Geset­zmäs­sigkeit der chemis­chen Ele­mente », Annalen der Chemie und Phar­ma­cie, 1872, vol. sup­pl. 8(2), p. 149.

Brock, W. H, The Fontana His­to­ry of Chem­istry, Lon­don : Fontana Press, 1992, p. 323–325.

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