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ARCHIVÉ - Qui a changé le tableau périodique?

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Pour souligner l’Année internationale de la chimie, Dimensions se penche sur les modifications récemment apportées au tableau périodique, cette réalisation scientifique, merveilleuse de simplicité, qui illustre les fondements même de la chimie.

Table de conférence d'allure fantomatique entourée de chaises avec tableau périodique en surimpression. Les carreaux de l'hydrogène, du curium, du fluor, du sodium et du zinc flottent au-dessus de la table.

Vous souvenez-vous du tableau périodique, avec ses rangées et ses colonnes groupant sagement les métaux alcalins, les lanthanides et les gaz nobles? Peut-être avez-vous un jour mémorisé l’ordre des éléments, voire leur masse atomique?

Eh bien, ce fameux tableau, que vous avez eu tant de peine à mémoriser au secondaire, n’est plus le même. En soi, rien de nouveau; en effet, le tableau périodique a régulièrement changé alors qu’on y a ajouté les nouveaux éléments créés et la mise à jour des poids atomiques.

Qu’est-ce que la masse atomique?

La masse atomique correspond à la masse relative moyenne des isotopes d’un élément donné. Par exemple, le brome, qui compte un isotope de 79 daltons (l’unité de la masse atomique) et un second de 81 daltons presque aussi abondants l’un que l’autre, a une masse relative moyenne de 79,904 daltons sur Terre.

Mais en 2010 est survenu un changement sans précédent : la masse atomique de 10 éléments est passée d’un seul chiffre à un intervalle borné par une valeur faible et une valeur élevée.

La modification devait mieux refléter la façon dont ces éléments varient dans les substances naturelles. Ainsi, la masse atomique de l’oxygène s’avère légèrement plus élevée dans l’air que dans l’eau de mer.

La grande surprise fut que, dans bon nombre de cas, la masse atomique — qu’on a longtemps cru être une constante — varie dans la nature. « Les chimistes eux-mêmes sont étonnés d’apprendre que la masse atomique n’est pas une constante naturelle », déclare Tyler Coplen, de la Geological Survey des États-Unis.

Le tableau périodique en 60 secondes

Besoin de vous rafraîchir la mémoire? Maîtrisez les bases du tableau périodique en deux temps, trois mouvements.

Pour en savoir plus sur le tableau périodique et sa disposition, visitez le tableau périodique des éléments, du CNRC.

Les nouvelles masses atomiques apparaîtront bientôt dans les ouvrages de chimie du monde entier. Mais d’où émanent ces modifications? Qui a décidé de changer la masse atomique de ces éléments pour un intervalle et pourquoi?

Le changement, bien que fondé sur la science, se résume à un facteur très important : le facteur humain.

Le gardien de la chimie

L’autorité mondiale en matière de normes en chimie est l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA), qui a son siège aux États-Unis.

L’UICPA compte des comités d’experts qui, entre autres, sanctionnent le nom des éléments et recommandent la terminologie ainsi que les symboles employés, cela afin de « s’assurer que les chimistes parlent tous le même langage », reprend M. Coplen.

L’un de ces comités s’occupe de la masse atomique. Baptisé Commission des abondances isotopiques et des masses atomiques, le groupe de 12 chimistes triés sur le volet venant des quatre coins du monde se réunit un an sur deux pour examiner les plus récents progrès de la science qui mesure la masse atomique.

La création de la Commission remonte à plus d’un siècle et celle-ci a compté parmi ses membres des lauréats de prix Nobel tels Marie Curie, qui a découvert le radium et le polonium, et Frederick Soddy, qui a contribué à percer le secret de la radioactivité avec Ernest Rutherford.

Un changement élémentaire

La décision de représenter la masse atomique de dix éléments par un intervalle n’a certes pas été facile.

Durant l’histoire du tableau périodique, la masse atomique a toujours été représentée par un nombre, ce qui a donné à des générations d’étudiants et de professeurs l’impression qu’il s’agit d’une des constantes de la nature.

La Commission tenait à montrer clairement à la population que tel n’est pas le cas. La question était : comment?

« Le débat a été le plus chaud auquel il m’ait été donné d’assister depuis mon entrée à la Commission, en 1985 », déclare M. Coplen, l’un des auteurs du rapport officiel Atomic Weights of the Elements 2009. « Certains voulaient conserver ce qui existait en l’expliquant plus clairement. Il y avait toutes sortes de manières d’y parvenir. »

Même si l’usage d’un intervalle cimentera le fait que la masse atomique de maints éléments varie sensiblement par nature, on s’interrogeait sur l’usage que les éducateurs feront des intervalles.

Comment les étudiants calculeront-ils le poids moléculaire d’une substance comme le dioxyde de carbone sans masse atomique précise pour le carbone et l’oxygène, par exemple?

« La discussion a fait rage », se rappelle Juris Meija, chimiste au Conseil national de recherches du Canada, également membre de la Commission. « Imaginez 12 personnes assises autour d’une table, la moitié soutenant qu’il s’agit d’une idée formidable, et l’autre moitié, que cette idée est terrible. Que faire? »

Au bout du compte, le sort du tableau périodique a été scellé par un vote serré. « Songez à une décision de la Cour suprême rendue par cinq voix contre quatre », reprend M. Meija.

chlore

Le chlore figure parmi les éléments dont la masse atomique sera exprimée par un intervalle au lieu d’une valeur unique. Comme on peut le voir ci-dessus, la masse atomique du chlore présent dans les substances naturelles, ou la masse relative moyenne de tous ses isotopes, varie de 35,446 à 35,457. Le chlore compte deux isotopes stables, 35 et 37, présents dans des proportions de 3:1, respectivement, ainsi que le montre le diagramme à secteurs. Gracieuseté de T. B. Coplen, U.S. Geological Survey.

Questions de poids

Pourquoi accorder tant d’attention à la masse atomique? Quelle importance que la masse atomique, mettons, de l’hydrogène soit 1,00777 ou 1,00756?

Sans doute aucune pour le commun des mortels, mais dans les années 1920, cet écart a débouché sur la découverte du deutérium, l’isotope de l’eau lourde. Cette découverte a rendu possible le projet Manhattan ainsi que la bombe atomique qui, peu après, a modifié le cours de la Deuxième Guerre mondiale. « Tout cela à cause de la quatrième décimale de l’hydrogène », poursuit M. Meija.

La masse atomique a plusieurs usages pratiques, du dépistage des drogues chez les athlètes (la testostérone synthétique se trahit par du carbone de masse atomique plus faible) au calcul de l’âge de la Terre (la masse atomique du plomb et de l’uranium change avec le temps en raison de la désintégration des isotopes radioactifs). On se sert du strontium pour vérifier l’origine de certains aliments comme le vin (grâce à la masse atomique de cet élément, les scientifiques peuvent dire où a été cultivé le raisin qui a servi à le fabriquer).

La masse atomique raconte aussi l’impact de l’espèce humaine sur l’environnement. Après la catastrophe de Tchernobyl en 1986, du césium radioactif s’est déposé dans le sud de la France. Les chercheurs peuvent désormais identifier le vin qui a été embouteillé dans cette région avant et après 1986, grâce à la présence ou à l’absence d’isotopes radioactifs de césium. Fin

Encadré : Un passé tourmenté

L’histoire du tableau périodique est émaillée de controverses. L’élément 118 (ununoctium) a une réputation tristement infâme puisqu’on l’a supprimé du tableau en 2002 après l’annonce qu’un scientifique ait fabriqué de toutes pièces les données étayant sa découverte. Depuis, l’élément y a retrouvé sa place, sur la base de références plus solides.

L’hydrogène est un autre membre controversé du tableau en raison de ses propriétés chimiques particulières. Personne ne s’entend sur la position exacte qu’il devrait occuper. Certains le placent au-dessus des gaz nobles, d’autres, au-dessus des métaux alcalins. Sorte de compromis, quelques-uns le fixent au sommet de tous les éléments, « un peu comme s’il était leur père à tous », commente Juris Meija, du CNRC.

La désignation des éléments s’avère souvent problématique. En 1994, quand ceux qui avaient découvert l’élément 106 proposèrent qu’on le nomme en l’honneur du chimiste américain Glenn Seaborg, la suggestion fut d’abord rejetée sous prétexte que ce chimiste vivait encore. Il s’ensuivit des années de polémique durant lesquelles M. Seaborg déclara amèrement que l’UICPA avait refusé ce nom « parce que je suis en vie et qu’ils en détiennent la preuve, prétendent-ils ».

L’adoption du nom « seaborgium » fut finalement confirmée en 1997, deux ans avant le décès du chimiste, ce qui lui permit de jouir un peu de son immortalité, sous une forme élémentaire.

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