Du diamant pour mettre tout le monde d’accord!

diamant et graphite
Le carbone ; diamant et graphite [A]
Les chimistes ont pris pour référence le carbone 12 pour définir la quantité de matière. Le carbone 12, c’est ce qui constitue le diamant et la mine de crayon. Alors est-ce que les chimistes sont des grands enfants qui aiment dessiner ou alors de vénales personnes qui se parent de diamants sous leurs blouses?

Si vous êtes passé par la classe de seconde, votre professeur (ou tortionnaire) vous a fait écrire ceci un jour :
La mole est la quantité de matière, notée n, d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12 grammes de carbone 12.

Mais il y a combien d’atomes dans 12 grammes de carbone 12?  Le nombre d’atomes qu’il y a dans 12 grammes de carbone est donné par le nombre d’Avogadro et dont la valeur est 6,02.10^23. Dans un prochain article je retracerai l’histoire de ce nombre tout à fait fascinant. Et pourquoi le carbone 12 d’abord?

De l’unité que diable!

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Humphry Davy [B]
Il faut remonter au début du XIXème siècle et les expériences spectaculaires de l’anglais Humphry Davy (1778-1829) [1] où il réussit en particulier à décomposer les terres alcalines en faisant circuler un courant électrique. Voici ce qu’il écrit et qu’on retrouve dans le Journal of the Laboratory of the Royal Institution [2] :

Oct 19. When potash was introduced into a tube, having a platina wire attached to it, and fixed into the tube so as to be a conductor, ie so as to contain just water enough, though solid, and inserted over mercury, when the platina was made negative, no gas was formed, and the mercury became oxidated, and a small quantity of the alkaligen was round the platina wire, as was evident from its quick inflammation by the action of water. When the mercury was made the negative, gas was developed in great quantities from the positive wire, and none from the negative mercury, and this gas proved to be pure Oxygen. – Capital Experiment proving the decomposition of Potash

Le 19 octobre 1807, Davy électrolyse de la potasse solide légèrement humide, en utilisant des électrodes de platine. Celle-ci entra bientôt en fusion, tandis qu’apparaissaient à l’électrode négative de petits globules d’aspect métallique, semblables au mercure et qui prenaient rapidement feu dans l’air. Il venait de découvrir le potassium. De la même façon, à partir de la soude caustique, il isola le sodium quelques jours plus tard. Qu’en conclure? A l’époque, ces expériences avaient amené les physiciens à imaginer que d’autres substances, alors considérées comme simples, pouvaient être décomposées en substances encore plus simples. De même qu’en chimie organique, on peut former de très nombreuses molécules à partir de quelques éléments (C, H, O, N,..), on pensait que les corps réputés simples dérivaient, par des polymérisations, d’une matière primordiale unique. L’idée de l’unité de la matière était en route.

Du Proust et du Prout

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William Prout [C]
En 1797, le français Louis-Joseph Proust (1754-1826) avait formulé la loi des proportions définies selon laquelle les masses des corps simples qui constituent un composé sont entre elles dans un rapport constant. L’anglais William Prout (1785-1850) propose en 1815 une hypothèse qui va un peu plus loin : le poids atomique des éléments est un multiple de celui de l’hydrogène, faisant ainsi de l’hydrogène la particule fondamentale de la matière (il la nommera protyle) [3]. Il remarqua qu’en posant H=1, le poids des principaux éléments donnait : C=12 ; Az = 14 ; P = 34 ; O = 16 ; S =32 etc.
Mais le chimiste Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894) établit le poids du chlore à 35,5 à moins de 1% près, mettant ainsi à mal l’hypothèse de Prout. On modifia alors l’hypothèse de Prout et on admit que l’unité du poids atomique prise par Prout était au moins deux fois trop grande. Mais au fur et à mesure que les mesures s’affinaient, le poids atomique de l’hypothétique élément commun à tous les autres devenait plus petit. On prit la moitié puis le quart de l’atome d’hydrogène. A trop pousser cette division on atteignait les limites de l’hypothèse et aucun contrôle ne devenait plus possible, les écarts entre les valeurs trouvées et les valeurs théoriques devenant de l’ordre des erreurs d’expérience.
Jean_Baptiste_André_Dumas
Jean-Baptiste Dumas [D]
Le français Jean-Baptiste Dumas (1800-1884), favorable à l’hypothèse de Prout modifiée identifia une régularité étonnante dans les familles des éléments chimiques (je ne la connaissais pas avant d’écrire cet article). Prenons par exemple la famille des halogènes (F, Cl, Br, I). Le poids atomique de ces éléments est tel que :
F=19
Cl = 35,5 = 19 + 16,5
Br = 80 = 19 + 2 x 16,5 + 28
I = 127 = 19 + 2 x 16,5 + 2 x 28 + 19
Ceci peut aussi décrire :
F= a
Cl = a + b
Br = a + 2b + c
I = a + 2b + 2c + a
Et ce type de régularité se rencontre pour chaque colonne du tableau périodique!

Le carbone 12

Tout au long de ce XIXe siècle, on chercha à obtenir les valeurs de poids les plus précises possibles pour établir une théorie cohérente avec les mesures. Quelques expériences furent empreintes d’erreurs systématiques comme celles de Jean Stas (1813-1891) qui considérait que la masse atomique n’était pas nécessairement un multiple entier du poids de l’hydrogène, réfutant ainsi l’hypothèse de Prout.
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Gustavus Detlef Hinrichs [E]
C’est à l’allemand Gustavus Detlef Hinrichs (1836-1923) que l’on doit la résolution du problème de la pseudo-périodicité des poids atomiques. Il eut d’abord l’idée de changer l’unité de référence pour la détermination des poids atomiques. L’hydrogène était pour lui le choix le plus désastreux car une erreur sur cet élément se répercutait nécessairement sur tous les autres engendrant une erreur systématique des mesures. Théoriquement, l’oxygène comme unité, adoptée par Berzélius (1779-1848), était la meilleure selon l’allemand mais l’oxygène ne se prête pas à la pesée et est toujours déterminé indirectement. Ainsi Hinrichs en arriva à la conclusion qu’un gaz ne pouvait être pris comme matière étalon. Il lui fallait un solide, compact et résistant aux effets mécaniques pour éviter les effets de dilatation sous l’effet de la température ou de la pression, résistant chimiquement pour le débarrasser de ses impuretés par des procédés énergiques comme l’ébullition à l’acide. Dès lors ne restait qu’un seul candidat qui satisfaisait à toutes ces conditions : le diamant, constitué de carbone pur. Le poids atomique de cette matière étalon peut être pris égal à 12 exactement de façon à avoir un système voisin de H = 1. Les chimistes réinterprétèrent les expériences faites pendant le siècle pour établir les poids atomiques à partir de la référence proposée par Hinrichs. Et le carbone 12 fut définitivement adopté comme élément de référence pour définir la quantité de matière que représente une mole. Il n’y a donc pas de sombre histoire de diamants sous les blouses, et encore moins dans les poches des chimistes…

Pour aller plus loin : On peut se procurer en ligne et gratuitement Programme der Atommechanik, traduit en anglais ouvrage de cet étonnant chimiste allemand qui avait en 1855 déjà proposé une classification périodique et qui avait fait l’hypothèse que les éléments étaient constitués de formes géométriques comme des triangles ou des carrés. Des combinaisons algébriques  entre ces figures lui permettaient de retrouver la périodicité des masses ! [4]


Sources :
[1] Des chimistes de A à Z, Humphry Davy, p. 159. ed. ellipses
[2] The American Journal of Sciences and Arts, Vol. XXI, Original Decomposition of Potash, p. 367
[3] William Prout, Wikipedia
[4] Contributions to Molecular Science, or Atomechanics, Université de Princeton

Sources images :
[A] Diamond, Wikipedia (en anglais)
[B] Humphry Davy, Wikipedia (en anglais)
[C] William Prout, Wikipedia (en anglais)
[D] Jean-Baptiste Dumas, Wikipedia
[E] Gustavus Detlef Hinrichs, Wikipedia (en anglais)

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