Qu’est-ce qu’un élément ?

En matière de concepts chimiques, il n’y a pas beaucoup plus fondamental que l’élément. C’est l’une des premières idées que l’étudiant en chimie rencontre, souvent dans le tableau iconique de ces ingrédients de base de la nature que Dmitri Mendeleïev a décrit pour la première fois il y a 150 ans et qui est célébré cette année. Et pourtant, personne ne peut dire exactement ce qu’est un élément. La question a été débattue avec beaucoup de vigueur et parfois de passion lors d’une réunion de la Société internationale de philosophie de la chimie à Bristol en juillet 2018 – mais toujours sans produire aucun consensus.

Ce n’est pas une surprise. Certains des plus grands esprits de la chimie, dont Antoine Lavoisier, Mendeleïev lui-même et le pionnier de la chimie nucléaire Frederick Soddy, s’y sont attaqués, et pourtant, une définition concise et complète reste insaisissable. Et certains des participants à la réunion ont laissé entendre que cela pourrait être pour le mieux.

Pour d’autres, c’est une indication que la chimie a une sérieuse réflexion philosophique à mener. La chimie ne se comprend pas elle-même en tant que discipline », déclare le philosophe Farzad Mahootian, de l’université de New York, aux États-Unis. Il ne s’agit pas seulement de la définition d’un élément ; des concepts tels que les molécules, les liaisons, voire le caractère du tableau périodique lui-même, restent flous : ils sont faussement familiers du fait de leur utilisation régulière par les praticiens, mais n’ont pas de signification sur laquelle tout le monde s’accorde. ‘Il y a un besoin de réflexion philosophique sur les aspects de la chimie que nous avons tendance à enseigner de manière plutôt mécanique’, déclare Eric Scerri de l’Université de Californie Los Angeles aux États-Unis, rédacteur en chef de la revue de philosophie des sciences Foundations of Chemistry.

Il semble raisonnable de s’attendre à ce que la chimie fournisse une définition non ambiguë

La signification d’un ‘élément’ est un sujet de discussion favori parmi les chimistes hors service. Nous sommes d’accord (n’est-ce pas ?) pour dire que l’hydrogène est un élément – mais qu’entendons-nous par là ? L’hydrogène gazeux moléculaire est-il un élément ? Ou l’atome d’hydrogène isolé ? Ou faisons-nous référence non pas à une substance réelle mais à une notion  » transcendantale  » de l’hydrogène dont les atomes et les molécules réels ne sont que des représentants matériels ?

Certains diront : peu importe. Nous savons ce que nous voulons dire dans la pratique. Si je dis ‘Le soufre est un élément qui forme un solide jaune avec une odeur piquante’, je ne m’attends pas à des objections. De même, si je dis : « Le soufre est le deuxième élément du groupe 16 du tableau périodique ». Mais ce sont deux choses assez différentes.

Selon le chimiste théoricien Eugen Schwarz de l’université de Siegen en Allemagne, l’attitude typique est de dire ‘Je sais que la façon dont je parle des éléments n’est pas vraiment correcte, mais tout le monde le fait, et les étudiants finiront par comprendre.’ Mais ‘mon sentiment personnel en tant que chimiste est qu’il ne faut pas adopter cette habitude’, ajoute-t-il.

Elena Ghibaudi, de l’Université de Turin en Italie, s’inquiète du fait que cette incapacité à définir précisément un élément pose des problèmes de compréhension, de communication et de confiance dans l’enseignement. ‘Lorsque deux experts en chimie discutent d’éléments, ils sont capables de distinguer la signification du contexte, mais ce n’est pas le cas en classe’, dit-elle.

Il pourrait y avoir des problèmes pour la compréhension de la chimie par le public également. Schwarz souligne comment, parce que certains éléments deviennent associés à des substances toxiques – le gaz de chlore, par exemple, ou le soufre dans le dioxyde de soufre libéré par la combustion du charbon et du pétrole – l’élément lui-même peut devenir considéré comme intrinsèquement toxique, et vulnérable aux interdictions des analphabètes de la chimie. ‘Je ne sais pas comment faire comprendre au public que seuls certains composés d’un élément donné sont toxiques, et même que ce n’est qu’à partir d’une certaine concentration particulière, alors qu’une trop faible quantité de ce même élément peut même causer des problèmes de santé’, dit-il.

‘La notion d’élément est centrale en chimie et sert un certain nombre d’objectifs’, dit Ghibaudi. Par exemple, elle identifie ce qui reste inchangé dans un système qui subit une transformation chimique, et elle fait la distinction entre les changements chimiques et nucléaires. Il semble donc raisonnable d’attendre de la chimie qu’elle fournisse une définition sans ambiguïté. Le peut-elle, cependant ?

Terre, vent et feu ?

Comme l’idée d’atomes, les éléments souffrent plutôt que de bénéficier d’une illusion de continuité dans une longue tradition de pensée. L’histoire populaire veut que les Grecs anciens pensaient qu’il n’y avait que quatre éléments – la terre, l’air, le feu et l’eau – mais qu’à partir du XVIIIe siècle environ, nous avons commencé à apprécier qu’il y en a plutôt plus de quatre, et qu’aucun ne correspond à ces éléments anciens. La vérité est plus complexe. D’une part, les quatre éléments attribués à Empédocle et inscrits dans la philosophie d’Aristote n’étaient pas, loin s’en faut, le seul schéma des éléments de base de la matière dans la pensée grecque. Et avant l’âge d’or de la chimie à la fin du siècle des Lumières, les systèmes d' »éléments » étaient plutôt flous. Le médecin suisse du XVIe siècle Paracelse a proposé trois « principes » fondamentaux, le soufre, le sel et le mercure, tandis que plusieurs autres schémas (y compris des éléments fictifs comme le phlogiston) ont bénéficié d’un soutien temporaire.

Chaque isotope devrait-il occuper sa propre place dans le tableau périodique ?

De plus, il ne s’agissait pas nécessairement d’alternatives concurrentes. L’idée d’un élément, comme celle d’un atome, avait une connotation assez variée, et ne signifiait pas nécessairement un type primitif de matière. Les trois principes de Paracelse, par exemple, étaient davantage considérés comme des propriétés que comme des ingrédients : le soufre représentant la combustibilité, le sel la solidité et le mercure la fluidité.

Robert Boyle est célébré à juste titre pour avoir apporté un peu de clarté au concept lorsque, dans son livre de 1665 The Sceptical Chymist, il a proposé qu’un élément soit une substance qui ne pouvait pas être réduite ( » analysée « ) à quelque chose de plus simple. Mais la définition de Boyle ne vous dit que quand vous avez un élément, et non ce qu’est un élément et ce qui le distingue d’un autre. Et elle est très provisoire, otage de vos capacités d’analyse. Comment pouvez-vous être sûr que vous avez un élément et pas simplement un composé que personne n’a encore trouvé le moyen de diviser en ses ingrédients ? C’est pourquoi les oxydes difficiles à séparer, comme l’alumine et la silice, apparaissent comme des éléments dans les listes du XVIIIe siècle, comme celle du Traité élémentaire de chimie d’Antoine Lavoisier (1789). Lavoisier a suivi Boyle en affirmant qu’un élément représente le stade final de l’analyse.

John Dalton a apporté quelque chose de plus fondamental à la définition de Lavoisier lorsqu’il a affirmé en 1808 que les propriétés spécifiques des éléments découlent de celles de leurs atomes constitutifs, visualisés comme de minuscules particules sphériques et dures. À l’époque de Mendeleïev, au milieu du siècle, il était reconnu que les différents éléments avaient des poids atomiques différents et, pour établir son tableau périodique, Mendeleïev a utilisé un classement des éléments en fonction de leur poids atomique. (Il utilisait lui-même le terme « poids élémentaire », puisqu’il ne croyait pas aux atomes.)

Les découvertes de radiochimistes comme Soddy, et de physiciens comme Ernest Rutherford et Henry Moseley, ont permis de comprendre dans les années 1920 que la propriété la plus fondamentale des atomes d’un élément est leur numéro atomique Z – le nombre de protons de leurs noyaux – qui est le même pour tous les atomes d’un élément donné. En 1922, Francis Aston a découvert les isotopes, qui ont le même Z mais une masse atomique différente. Mais si Z diffère pour deux atomes, ce sont des éléments différents.

Que veut-on dire par « carbone » ? Le diamant, un atome avec Z = 6 ou C60

Au début, pourtant, les isotopes ont jeté un chat parmi les pigeons. Leur découverte a été un défi pour la définition d’un élément », dit Ghibaudi. Le concept d’élément chimique a fait l’objet d’un débat animé entre chimistes et physiciens. La question était de savoir si chaque isotope devait ou non occuper sa propre place dans le tableau périodique ». En 1923, un comité international a convenu de baser l’identification de l’élément chimique sur le numéro atomique au lieu du poids atomique.

Ceci, on pourrait penser, aurait pu être la fin de l’affaire : les éléments sont définis par Z. Le problème est que ce n’est pas tout à fait la façon dont les chimistes utilisent le mot. Dans un article fondamental sur la définition des éléments publié en 1932, le chimiste allemand Friedrich Paneth a admis l’existence de deux définitions différentes, qu’il a appelées Einfacher Stoff – généralement traduit par « substance simple » – et Grundstoff, ou « substance primaire/de base ». La première se réfère à la notion de Lavoisier de substance réelle, physique, qui ne peut pas être réduite par des méthodes chimiques en ingrédients plus basiques, la seconde à une notion abstraite :  » l’oxygène « , disons, comme un type d’atome avec Z = 8.

Ghibaudi doute que nous ayons dépassé le dualisme de Paneth même maintenant. L’Iupac donne actuellement une double définition du mot « élément » dans son « Livre d’or » de la terminologie chimique, qui dit que le mot peut se référer soit à une « espèce d’atome » (ce que Ghibaudi voit comme une sorte de « substance de base » de Paneth) ou, plutôt tautologiquement, à une « substance élémentaire pure ».

Ce double sens est inconfortable. Cherchez « oxygène » sur un site Web consacré aux éléments, et vous serez probablement informé qu’il a Z = 8, et peut-être une configuration électronique particulière et une position dans le tableau périodique – mais aussi qu’il s’agit d’une substance hautement réactive avec la formule O2 et un point d’ébullition de -183°C. Selon le chimiste Mark Leach, qui dirige le site web de ressources en chimie meta-synthesis.com, il s’agit d’un amalgame négligent de deux types de données très différentes : l’une se réfère à la « substance de base » de Paneth (un idéal abstrait), l’autre à sa « substance simple » (une substance réelle). Cela ne peut sûrement pas être bon ?

De plus, dit Leach, toute notre notion du tableau périodique mélange les deux de manière maladroite. Nous pourrions imaginer qu’il s’agit d’un tableau de « substances de base » – ce qui est à peu près la façon dont Mendeleïev le voyait. Mais toute la notion de périodicité fait référence à des propriétés chimiques réelles de substances concrètes : la valence dans les composés chimiques, des propriétés telles que l’énergie d’ionisation, le caractère métallique, etc. Si la substance de base n’a que la propriété Z, il n’y a qu’une simple liste », dit Leach. D’où vient alors la structure du tableau périodique ? »

Certaines représentations populaires du tableau périodique montrent même des photos des formes matérielles « simples » des éléments : diamant ou graphite pour le carbone, et ainsi de suite. Il s’agit donc d’un amalgame déroutant – et c’est peut-être nécessaire. Il faut un compromis judicieux entre les propriétés de base et les propriétés simples pour le construire », déclare Scerri.

Ce n’est pas une question banale. Les disputes font encore rage, par exemple, pour savoir si les éléments situés sous l’yttrium dans le groupe 3 doivent être le lanthane et l’actinium, ou le lutécium et le lawrencium. La question est de savoir si le tableau doit refléter des caractéristiques « fondamentales », comme la configuration électronique, ou des caractéristiques observables, comme le comportement chimique. Ces arguments deviennent encore plus ambigus une fois que les effets relativistes (dus aux très grandes vitesses des électrons de l’enveloppe interne) commencent à jouer avec la périodicité chimique parmi les éléments super lourds fabriqués par l’homme.

Ça devient lourd

Ce n’est pas la seule complication qu’introduisent les superlourds. La confusion sur la question de savoir si un élément est un « stuff » ou un « concept » vient du fait que, dans le passé, ils ont été les deux. Mais un nouvel élément a-t-il vraiment la même prétention à la réalité lorsqu’il n’existe que sous la forme d’une poignée d’atomes stables pendant moins d’une seconde, comme c’est le cas de certains des éléments artificiels les plus récents, tels que la ténnessine ? Si les éléments sont en partie définis par leurs propriétés chimiques, que reste-t-il des éléments qui n’existent pas assez longtemps pour s’engager dans une interaction chimique significative et qui, de toute façon, ne sont fabriqués que sous forme d’ions hautement chargés qui n’acquièrent jamais un complément complet d’électrons ? Dans quel sens sont-ils des éléments s’ils ne durent qu’une milliseconde ou deux ? demande M. Scerri. Je ne pense pas que nous pourrons un jour les mettre en bouteille.’

Dans quel sens sont-ils des éléments s’ils ne durent qu’une milliseconde ou deux ?

La radiochimie a toujours été un peu mal à l’aise dans l’écurie de la chimie. Une façon courante de penser aux éléments chimiques est de les considérer comme les « quantités conservées » de la chimie. De même que la masse et l’énergie ne sont jamais détruites en physique (bien qu’elles puissent bien sûr être interconverties), la règle de conservation fondamentale de la chimie est que les éléments persistent : on ne sort jamais d’une réaction avec moins de carbone qu’au départ. Mais en radiochimie, où un élément peut se désintégrer en un autre, c’est le cas. La question de savoir si cela fait de la radiochimie une partie de la chimie a été contestée depuis ses débuts, lorsque les comités Nobel de physique et de chimie se sont affrontés pour savoir qui devait décerner les prix à des personnalités comme les Curie et Rutherford (tous deux  » revendiqués  » pour la chimie dans les noms des éléments).

Cette guerre intestine n’a jamais pris fin, comme en témoignent les dernières querelles entre les Unions internationales de physique et de chimie pures et appliquées (Iupap et Iupac) pour savoir qui doit se prononcer sur la confirmation des nouveaux éléments. Les physiciens affirment qu’ils sont les seuls à disposer de l’expertise suffisante pour juger les affirmations des expériences de destruction d’atomes réalisées à l’aide d’accélérateurs de particules. Mais les chimistes ne sont pas heureux de laisser un autre groupe déterminer ce qui entre dans leur icône la plus précieuse, le tableau périodique.

Quoi que ce soit qui se prononce, ces nouveaux éléments ne sont pas des choses que vous pouvez tenir dans votre main. Ils soulignent la nouvelle pertinence des échelles de temps. On peut soutenir que toute fusion de noyaux qui dure plus longtemps que l’échelle de temps typique de la diffusion nucléaire, environ 10-10 s, pourrait être qualifiée de formation d’un autre élément. Mais une union mesurée en nanosecondes le justifie-t-elle vraiment, ou s’agit-il simplement d’une sorte de résonance ? C’est pourquoi, selon Schwarz, « lorsque nous parlons d’éléments, nous devrions également parler d’échelles de temps ». Il se demande si un « élément » ne devrait pas être au moins une entité capable en principe de former des molécules. La chimie est un artisanat et une science des matériaux réels », ajoute-t-il, mais « pour les physiciens, un noyau est un élément ». L’Iupac, quant à lui, a récemment annoncé de nouveaux critères pour la découverte des éléments superlourds qui affirment que l’échelle de temps d’existence pour prétendre au statut d’élément est de seulement
10-14s.

La chose en soi

Le problème des éléments montre que, comme le dit Scerri, la chimie a besoin de philosophie. Le problème de l' »élément chimique », comme d’autres problèmes de chimie tels que les notions de substance et de structure, soulève des questions philosophiques et ne peut donc être résolu sans s’appuyer sur des idées issues de la philosophie », explique M. Ghibaudi. D’une certaine manière, la question remonte à Platon, dont la notion de formes intangibles « idéales » sous-tendait sa vision des entités physiques réelles. La  » substance de base  » abstraite de Paneth est aussi parfois discutée en termes de la notion de Ding an sich d’Emmanuel Kant – la  » chose en soi « , ou l’aspect fondamental de la réalité hors de portée de nos sens (faillibles).

La définition  » de base  » d’un élément contient-elle toutes les caractéristiques  » simples  » en son sein ?

Mais si c’est une question philosophique qui ne peut être résolue par l’empirisme, peut-être devons-nous simplement faire un choix entre la « substance de base » de Paneth et la « substance simple » comme définition d’un élément ? Certains chercheurs le pensent. Scerri, quant à lui, suggère que la nature d’un élément n’est pas simplement double mais triple : ce qui importe dans la substance d’un élément, ce ne sont pas seulement les propriétés de la matière première mais aussi celles de ses composés. Après tout, c’est l’une des merveilles constantes de la chimie que, dans le chlorure de sodium, il ne reste aucune trace du métal gris réactif et du gaz vert toxique.

Introduire une nomenclature distincte pour les définitions « simple » et « basique », de sorte que les molécules de dihydrogène ne soient plus considérées comme « l’élément hydrogène », nécessiterait une réforme du langage chimique profondément ancré. Mais Sarah Hijmans, de l’Université Paris-Diderot, en France, se demande si nous devons aller aussi loin. Peut-être, suggère-t-elle, pourrions-nous considérer le mot « élément » comme un mot qui s’inspire des deux définitions. Elle explique qu’à l’époque de Lavoisier, il n’y avait pas d’autre choix que d’opter pour la définition analytique, car nous ne comprenions pratiquement rien à ce qui distingue les éléments au niveau fondamental. Progressivement, la balance a penché davantage vers une définition « fondamentale » en termes de Z. Mais il est clair que le point de vue empirique, « chimique », a encore de la valeur, comme l’illustre le tableau périodique.

Peut-être la question est-elle de savoir si les deux sont réellement en conflit. Dans un sens, il n’y a rien de terriblement significatif pour les chimistes à propos de Z, puisque le noyau ne joue pratiquement aucun rôle direct dans le comportement chimique. Le nombre de protons n’est qu’une approximation de ce qui importe à la chimie : le nombre d’électrons, ainsi que leur configuration et leurs énergies.

Mais ceux-ci, étant donné un Z particulier, sont prédéterminés par les règles de la mécanique quantique. Ils peuvent être prédits. Et à partir de cette information, à son tour, nous pouvons en principe prédire beaucoup de comportements chimiques, tels que les types de composés que l’élément formera. Nous pouvons même prédire les propriétés physiques de certains éléments : formes allotropiques, points de fusion, etc. Alors, la définition « de base » d’un élément contient-elle toutes les caractéristiques « simples », qui seront révélées au fur et à mesure que nos capacités de calcul s’amélioreront ?

Peut-être, cependant, devons-nous accepter qu’un certain flou entourera toujours la notion d’élément. Et peut-être que ce n’est pas si mal. Les chimistes, après tout, y sont habitués – comme l’a souligné le lauréat du prix Nobel Roald Hoffmann, ils utilisent sans cesse des concepts qui n’ont pas de définition unique et précise, comme l’électronégativité et le rayon ionique, sans que cela ne diminue leur valeur pour le domaine. L’imprécision a joué un rôle utile dans la pensée », déclare M. Mahootian. Peut-être que ce qui importe n’est pas l’imprécision elle-même, soutient-il, mais de s’assurer qu’il ne s’agit pas d’un simple laisser-aller.

Alors, qu’est-ce que le carbone ? La réponse, dit Schwarz, pourrait dépendre de la personne à qui l’on s’adresse. Pour différents publics et différents objectifs, il pourrait s’agir de suie ; il pourrait s’agir de l’élément six, il pourrait s’agir d’un mélange naturel d’isotopes ou d’un composant du méthane. Élémentaire, vraiment.

Philip Ball est un écrivain scientifique basé à Londres, au Royaume-Uni

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