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Matière à penser

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Bernadette Bensaude-Vincent

Première partie : Entre science et art

Stratégie de classification

Texte intégral

1Ce chapitre reprend un cours d’agrégation donné à l’ENS Paris en 2005.

2La classification périodique est souvent présentée comme une sorte de charte livrant les briques élémentaires de la nature. Son tableau semble alors inscrit dans la nature, et l’on s’imagine volontiers que Mendeleev n’avait qu’à ouvrir le livre de la nature pour la découvrir, ou qu’il lui fut révélé dans une vision, comme les tables de la loi reçues par Moïse.

3Or ce tableau n’est pas une anticipation visionnaire de la physique atomiste ; il est le fruit d’un long et patient travail de construction de Mendeleev, sur la base des connaissances empiriques accumulées au cours du xixe siècle. Mieux, c’est l’aboutissement d’un travail collectif de plusieurs générations de chimistes. Car la quête d’une classification hante les chimistes du xixe siècle. Plutôt que de raconter l’histoire de cette longue quête (qui persiste malgré le caractère monumental et définitif de ce tableau), j’essaierai de dégager les raisons de cette quête inlassable d’une classification des éléments et les types de raisonnement mobilisés pour parvenir à construire une classification.

Pression démographique

4La chimie du xixe siècle est confrontée à une croissance rapide de la population des substances chimiques sous l’effet des progrès de l’analyse, d’une part et de la synthèse plus tard. Les substances simples passent de quatre à trente-trois à l’époque de Lavoisier puis cinquante vers 1840 et une centaine en 1900, cent onze en 2005.

  • 1 Frängsmyr T., Heilbronn J.L. et Rider R., The Quantifying Spirit in the Eighteenth Century, Berkel (...)

5Quant aux substances composées, on en compte six milliards environ aujourd’hui. Pour gérer des multiplicités d’individus, par exemple dans la gestion des forêts, les statistiques ont été inventées au xviiie siècle1. Mais cela n’est pas un outil adéquat pour les chimistes. La chimie, comme la botanique ou la zoologie, s’intéresse aux particularités des substances, à leur singularité, tandis que la physique ne retient que ce qu’il y a de général dans le particulier.

  • 2 Par exemple, « Acer pseudo-platanus » pour l’érable sycomore, et dans le monde animal « Parus majo (...)
  • 3 Crosland Maurice P., Historical Studies in the Language of Chemistry, New York, Dover Publication, (...)
  • 4 Sur les classifications liées aux tables d’affinités au xviiie siècle voir Klein Ursula, Lefèvre W (...)

6À chaque substance, il faut donner un nom. Au xviiie siècle, la volonté de systématique qui caractérise l’entreprise de Linné en botanique s’applique aussi à la chimie. Linné a forgé pour chaque espèce un binôme latin avec un substantif pour désigner le genre auquel elle appartient et un adjectif qui la spécifie plus un suffixe indiquant l’appartenance à une famille2. Quatre principes président à la construction de son langage : les noms génériques doivent être en latin ou du moins forgés à partir des langues anciennes ; ils doivent exprimer une propriété essentielle et distinctive du genre désigné ; ils doivent être simples, un seul mot si possible, et courts. La nomenclature de Linné présuppose une classification en genres et en espèces. De même la nomenclature systématique élaborée par les chimistes en 1787 présuppose une classification sous-jacente des composés chimiques3. Mais je ne parlerai pas ici de la nomenclature, ni de la classification des composés. Car le problème de leur nomenclature et de leur classification est subordonné à celui de la classification des corps simples dans une chimie centrée sur la composition. Or, la distinction entre corps simples et composés deviant l’axe directeur de la chimie vers la fin du xviiie siècle avec Lavoisier, en particulier. Auparavant, les classifications chimiques étaient plutôt fondées sur le comportement des substances, leurs rapports ou affinités4.

  • 5 Voir Comte Auguste, Cours de philosophie positive, t. 1, 40e leçon, Paris, Hermann, 1975, p. 732-7 (...)

7Classer les corps simples est une obsession des chimistes du xixe siècle. Comte a bien aperçu ce problème en 1835 dans la 36e leçon du Cours de philosophie positive « Considérations générales sur la chimie inorganique ». Bien qu’il déclare que seule la philosophie biologique peut inventer l’art des classifications rationnelles5, c’est à propos de la chimie et encore en passant, dans une note qu’il énonce les conditions de réalisation d’une classification. Cette remarque est motivée, dit Comte, par le nombre croissant des éléments actuels qui conduit à se préoccuper de leur classification car d’elle dépend celle des composés.

  • 6 Ibid., 36e leçon, p. 594-595.

On peut à ce sujet poser en principe que la hiérarchie des substances élémentaires ne doit pas être uniquement déterminée par la seule considération de leurs propres caractères essentiels, mais par celle, non moins indispensable, quoi qu’indirecte, des principaux phénomènes relatifs aux composés qu’elles forment. Ainsi conçue, cette question est une des plus capitales que puisse présenter la philosophie chimique : bornée au contraire à l’examen direct des corps simples, elle offrirait aussi peu d’intérêt que de rationalité ; car, en soi-même, il importe assez peu, sans doute, suivant quel ordre conventionnel on procéderait à l’étude successive des cinquante-six corps, dont les histoires propres sont nécessairement indépendantes6.

8Deux points sont à retenir dans cette réflexion. D’abord, une classification respectueuse des singularités, de l’essence de chaque individu, ou de son « histoire » ne peut être que conventionnelle. Une vision synoptique d’une population d’individus singuliers ne peut être qu’une photographie, un paysage ou, à la limite, une liste alphabétique comme dans un dictionnaire. On doit donc classer les corps simples d’après les composés qu’ils forment, comme le fit Lavoisier dans le Traité élémentaire de chimie en 1789.

9Ensuite, pour échapper à l’arbitraire ou à la convention, il faut établir une hiérarchie et Comte insiste sur les implications de ce terme dans une note de bas de page :

  • 7 Ibid., p. 594.

J’emploie à dessein cette expression pour mieux marquer que je ne saurais concevoir de classification vraiment philosophique là où l’on ne serait point parvenu à saisir préalablement une considération prépondérante, commune à tous les cas, et graduellement décroissante de l’un à l’autre. Telle est, ce me semble la condition fondamentale imposée par la théorie générale des classifications… L’origine, évidemment politique, de tous nos termes relatifs aux idées de classement, devrait suffire pour rappeler sans cesse, dans une question d’ordre réel, la loi indispensable de subordination, mal appréciée jusqu’à présent par la plupart des philosophes inorganiques7.

10La solution prônée par Comte est donc de sélectionner un ou deux facteurs révélant la croissance ou décroissance d’un caractère ou d’une propriété pour transformer la multiplicité éparse et un peu chaotique des individus en une série uniforme. C’est ce qu’il a fait dans sa classification des sciences qui transforme le paysage encyclopédique des Lumières en une hiérarchie suivant le degré de simplicité décroissante et de généralité décroissante et donc de spécialité croissante des phénomènes étudiés. Classer revient à constituer un espace abstrait, pour ordonner au double sens du terme, mettre en ordre et faire passer les commandements. La classification est un espace d’administration où opère un général en chef qui dispose son armée, ou bien un professeur qui classe ses élèves, ou le grand ordinateur qui inscrit les étudiants et garde trace de leurs résultats.

11Or dans quelle mesure le modèle comtien de classification hiérarchique (que j’appellerai administrative) a-t-il inspiré ou satisfait les chimistes ?

Pression pédagogique

12Un deuxième moteur de la quête de classification au xixe siècle est la pression pédagogique. Avec le développement des cours de sciences expérimentales dans les écoles centrales et les facultés (surtout de médecine), se multiplie le nombre des chimistes professeurs. Comment apprendre et enseigner les connaissances sur des dizaines et dizaines de substances ? Mémoriser exige une mise en ordre (comme le montre la technique des théâtres de la mémoire). L’inflation de la population matérielle, qui semble indéfinie, galopante à raison des progrès de l’analyse, met les professeurs de chimie dans le plus grand embarras. Seront-ils contraints d’égrainer devant leurs étudiants un chapelet de monographies sur les divers corps simples et sur leurs propriétés ? Et comment passer en revue les diverses combinaisons de chaque élément ? Faut-il se contenter de faire un inventaire de propriétés individuelles qu’il faut apprendre sans trop chercher à comprendre ? Les professeurs de chimie semblent acculés à commencer par faire ce qu’on appelle « l’histoire des corps simples », c’est-à-dire à exposer une science purement descriptive. Mais dans quel ordre, alphabétique, comme un dictionnaire ?

  • 8 Bensaude-vincent Bernadette, « La classification périodique des éléments », in Éléments d’histoire (...)

13La plupart des chimistes professeurs sont à la recherche d’une classification des corps simples ou éléments afin d’ordonner les chapitres de leurs cours. Mendeleev a travaillé à la classification périodique parce que, nommé professeur de chimie à l’Université de St Petersbourg en 1860, il entreprit d’écrire un manuel pour son cours de chimie générale8. L’ouvrage intitulé Principes de chimie, paru en 1871, commence par des chapitres sur les substances les plus communes et familières : l’eau, (qui permet d’introduire deux éléments, l’hydrogène et l’oxygène) ; l’air, (qui introduit l’azote et ses composés) ; puis le carbone ; le chlorure de sodium ; les halogènes (chlore, brome, etc.), et c’est seulement à la moitié du parcours au chapitre XV intitulé « Similitude des éléments et loi périodique » qu’arrive la classification.

14Mendeleev n’est pas une singularité. Il existe une liaison forte entre préoccupation pédagogique et invention taxonomique au point que les débats sur la classification au xixe siècle sont menés par des professeurs et auteurs de manuels. Quel est exactement leur problème ?

  • 9 Voir le chapitre 7.

15Il provient de la fausse bonne solution annoncée par Lavoisier. Lavoisier entreprit de publier en 1789 un Traité élémentaire de chimie. Il déclare que la chimie doit procéder du simple au complexe, du connu à l’inconnu, en imitant la genèse des idées chez l’enfant, et il cite abondamment La Logique de Condillac. Pareil à l’enfant qui forme des idées de plus en plus complexes à partir des sensations élémentaires, le chimiste doit partir des faits pour former un savoir de plus en plus complexe. De cette analogie, Lavoisier tire la certitude que la démarche du simple au complexe est identique à la marche du connu vers l’inconnu. « Les faits, les mots et les idées sont comme trois empreintes d’un même cachet9. » Si lumineuse est la solution que Lavoisier déclare que grâce à la logique du simple au complexe qui suit l’ordre pédagogique, la chimie devient facile, accessible aux « commençans », à ceux qui peuvent et doivent construire la science sur une sorte de table rase.

16Mais pratiquement, les deux ordres sont inverses : si l’on procède du connu à l’inconnu, on doit partir de ce que rencontre l’enfant dans son milieu. Or on rencontre rarement de l’oxygène, de l’hydrogène ou de l’azote purs. On a plutôt l’expérience de l’eau, de l’air, de mixtes ou composés. C’est pourquoi les deux ordres ne sont pas compatibles et chaque auteur doit faire des choix, prendre une décision.

17Le chimiste suédois Jon Jacob Berzelius, qui ne semble pas du tout convaincu que l’ordre matériel de complexité croissante se superpose à l’ordre d’acquisition des connaissances formule explicitement son dilemme :

  • 10 Berzelius, Jacob J., Traité de chimie, Paris, 1819-1833, 8 vols, t. 1, p. 2.

Il y a deux manières d’exposer la chimie dans un livre pour des commençants. Tantôt on cherche à faire une collection de monographies de corps simples et quant aux combinaisons dans lesquelles chacun de ces corps est susceptible d’entrer, on les range suivant un ordre quelconque, mais qu’on s’est tracé d’avance, afin de ne point être obligé de décrire un composé deux fois ou même davantage. C’est, à mon avis, sous cette forme que la science se trouve réduite à sa plus simple expression et qu’elle s’inculque le mieux dans la mémoire. Tantôt on traite d’abord tous les corps simples, puis on examine, dans un ordre donné, les combinaisons de chacun de ces corps avec toutes les autres ; ensuite on passe en revue les combinaisons des diverses combinaisons les unes avec les autres, de manière à procéder du simple au composé et de celui-ci à ce qui l’est davantage10.

18Finalement Berzelius opte pour une solution un peu mixte. Afin d’alléger l’exposé et la mémoire des étudiants, il n’hésite pas à faire un tri parmi les corps simples en privilégiant les éléments les plus répandus dans la nature. Au bilan, l’organisation de son traité se dessine par application, sur la base du principe incontournable de complexité croissante, d’un jeu de dichotomies successives. Berzelius applique d’abord la division entre substances pondérables et impondérables et commence ainsi par l’étude de quatre sub-stances impondérables (la lumière, la chaleur, les forces électrique et magnétique, qui faisaient partie intégrante de la chimie au début du xixe siècle). Ensuite il divise les éléments pondérables en deux catégories, inorganique et organique. La première se subdivise à son tour en métaux et non-métaux que Berzelius baptise « métalloïdes » ; enfin les substances organiques se subdivisent également en deux catégories : végétales et animales.

  • 11 Thenard Louis-Jacques, Traité élémentaire de chimie, théorique et pratique, 1813-1816, t. 1, p. 20 (...)

19En France Louis-Jacques Thenard publie un traité de chimie en 1816, maintes fois réédité jusqu’en 1836, qui servit de modèle pour tous les manuels de chimie à destination des écoles ou des lycées pendant plusieurs générations. Il énonce trois critères de classification : du connu à l’inconnu ; du simple au complexe ; et suivant les analogies de propriétés11. Cela le conduit à une classification assez proche du modèle comtien : il sélectionne un caractère unique — le degré d’affinité pour l’oxygène – qui détermine le type de composés formés par un corps simple et lui permet d’établir une échelle de croissance. Tous les corps simples vont être caractérisés et classés en fonction de leurs réactions avec l’oxygène. Thenard en vient ainsi à privilégier une réaction parmi d’autres : la combustion, qu’il définit comme « phénomène dans lequel l’oxygène se combine avec un corps quelconque ». « Tous ces corps simples autres que l’oxygène étant connus sous le nom générique de corps combustibles, on doit connaître en général sous le nom de corps brûlés, ces mêmes corps unis 1 à 1, 2 à 2, 3 à 3, etc., avec l’oxygène. » Ainsi, la dichotomie, corps combustibles/corps brûlés, remplace et recouvre discrètement la dichotomie simple/composé, toujours célébrée comme principe fondamental.

20Le critère de la réactivité avec l’oxygène est appliqué de manière systématique. Seuls y échappent les quatre corps impondérables. Dans le groupe des six non-métaux, Thenard utilise le critère de la réactivité avec l’oxygène « autant que possible » ; mais c’est surtout dans le local de la classification des métaux que ce critère fait merveille. Thenard répartit les trente-huit métaux connus en six classes suivant qu’ils absorbent ou non l’oxygène, à température élevée ou non, en décomposant l’eau ou non. Quant aux sels, qui constituent le groupe le plus important en chimie minérale, Thenard les présente comme résultats de la combinaison d’un (ou plusieurs) oxyde métallique avec un acide.

21Dans le domaine de la chimie végétale et de la chimie animale, Thenard classe les principes immédiats des plantes en fonction des proportions respectives d’hydrogène et d’oxygène, soit trois classes : 1) plus d’oxygène que dans l’eau ; 2) la même proportion ; 3) moins d’oxygène. Thenard innove vraiment. Les réformateurs de la nomenclature à la fin du xviiie siècle n’avaient pas trouvé de solution satisfaisante pour nommer et classer les principes immédiats des végétaux et des animaux. On les ordonnait selon des critères hétérogènes : propriétés physiques et chimiques ou bien propriétés thérapeutiques, ou bien leur origine.

22On voit donc ici que toute classification chimique présuppose : 1) un postulat (que la nature et la proportion des éléments constituants déterminent les propriétés). C’est ce qui permet de se fier aux analogies de comportement et propriétés ; 2) un socle théorique sur la nature des combinaisons chimiques (le rôle privilégié de l’oxygène). Malgré la ruine de la théorie lavoisienne des acides, qui accordait un rôle privilégié à l’oxygène, la classification de Thenard – en particulier sa classification des métaux – perdure.

La classification des métaux de Louis-Jacques Thenard
[d’après le Traité de chimie élémentaire, 4e éd. 1824, t. I]

Comment atteindre l’exhaustivité12

Classification naturelle ou artificielle

23Ce genre de classification, fondée sur l’élection d’un principe d’ordre, est attaqué par Louis-Marie Ampère. Rejetant la théorie lavoisienne des acides il déplore l’exagération du rôle de l’oxygène. Il préfère chercher des principes de classification chez les naturalistes, et s’inspire en particulier de Antoine-Laurent de Jussieu. Ce sont, en effet, les naturalistes qui ont introduit la distinction entre classifications naturelle et artificielle dans leur critique de Linné. La classification de Linné, fondée sur un critère unique – le nombre des étamines – a été jugée artificielle et dépassée au profit de classifications dites naturelles, fondées sur la considération de plusieurs caractères.

  • 13 Ampère Louis-Marie, « Essai d’une classification naturelle des corps simples », in Annales de chim (...)

24En 1816, Ampère transpose la distinction en chimie. Il publie un « Essai d’une classification naturelle pour les corps simples » dans lequel il tente d’élaborer une classification naturelle, reposant sur « l’ensemble des caractères des corps qu’on se propose de classer » et réunissant dans un même groupe les substances qui présentent les analogies les plus nombreuses et les plus essentielles13. Il dénonce le privilège accordé à l’oxygène par tous les chimistes (à l’exception de Gay-Lussac) parce qu’il laisse croire que les propriétés attribuées à l’oxygène lui appartiennent en exclusivité. Convaincu qu’il existe « un ordre naturel », que seule peut révéler une « méthode naturelle », Ampère rejette la dichotomie entre corps combustibles et soutiens de la combustion, aussi bien que la division entre métaux et non-métaux car elles masquent, à ses yeux, les analogies avec des corps qui se trouvent situés dans des classes éloignées.

25Exprimer toutes les analogies, tel est le rêve d’Ampère. Il tente d’abord, en vain, une classification circulaire présentant une série unique avec variation continue des propriétés. Après cet échec, Ampère choisit de regrouper les corps simples en trois familles – gazolytes, leucolytes, chroïcolytes – qui se divisent à leur tour en quinze genres lesquels se subdivisent en espèces, de telle sorte que « deux corps placés aux deux extrémités de la chaîne formée par tous les autres se rapprochent et s’unissent mutuellement par des caractères communs ».

Classification d’Ampère
[d’après « Essai d’une classification naturelle des corps simples »]

26Les gazolites – ainsi nommés parce qu’ils sont « susceptibles de former, avec d’autres substances de la même classe, des gaz permanents qui puissent subsister sans se décomposer lorsqu’ils sont mêlés à l’air atmosphérique » – regroupent pratiquement tous les non-métaux plus l’arsenic et le tellure. Les leucolytes (qui forment des sels blancs ou incolores) comprennent les métaux qui fondent au-dessous de 25º au pyromètre. Le groupe des chroïcolytes est formé par les « métaux infusibles à cette température » et « qui forment avec ces acides des dissolutions colorées » (d’où leur nom). Ampère prévient les objections que peut susciter le choix de tels critères en invoquant un impératif d’exclusivité pour chaque groupe.

27Cette classification inspire des minéralogistes comme François Beudant, auteur d’un Traité élémentaire de minéralogie, et certains chimistes comme Alexandre Baudrimont et Ferdinand Hoefer qui s’efforcent de l’améliorer. Tout en la considérant comme « plus philosophique » que les classifications artificielles, les chimistes ne parviennent pas cependant à l’adopter dans leurs cours et traités. Ils choisissent une attitude plus pragmatique, de compromis.

Une solution bâtarde

  • 14 Dumas Jean-Baptiste, Traité de chimie appliquée aux arts, Paris, Béchet, 8 vols, 1828-1846.

28Ainsi Jean-Baptiste Dumas commence-t-il son monumental Traité de chimie appliquée aux arts en 1828 bien décidé à s’appuyer sur une classification naturelle14. Il introduit, dès l’abord, plusieurs critères : le premier, il propose de considérer le nombre d’atomes qui se combinent avec un atome d’hydrogène et il ajoute d’autres critères, tels la formation de composés analogues ou la formation de composés isomorphes. Suivant ces principes, il propose une classification naturelle des non-métaux en cinq groupes. Mais dans un volume consacré aux métaux, publié quelques années plus tard, il renonce à chercher une classification naturelle et il adopte la classification artificielle des métaux par Thenard.

29Et il est suivi par la plupart des auteurs de manuels qui proposent, en effet, la classification naturelle pour les non-métaux et la classification artificielle pour les métaux. Cette double solution devient la règle générale dans les livres d’enseignement, surtout après la révision de la classification de Thenard par Victor Regnault.

30Le fait qu’une solution aussi bâtarde a pu être adoptée dans l’enseignement de la chimie et y demeurer pendant près d’un demi-siècle en dit long sur le statut de la chimie. La formule bâtarde ne satisfait pas les chimistes qui avouent pour la plupart son inconsistance. Mais elle est acceptable dans la mesure où la plupart des analogies entre éléments sont respectées. Or, ce sont les analogies qui servent de guide dans la pratique des chimistes. Le consensus qui s’établit parmi les auteurs français contribue à diffuser un sentiment profond de l’imperfection de la chimie. Il n’est pas question d’un état de crise mais plutôt d’un scepticisme un peu désabusé.

Comment gérer la multiplicité

31Comment Mendeleev a-t-il pu échapper au dilemme, construire une classification obéissant à un critère unique – le poids atomique des éléments – qui embrasse cependant la totalité des propriétés et qui puisse donc prétendre au titre de classification naturelle ? Le secret est la loi périodique.

32Il y a en effet deux manières possibles de classer la multiplicité indéfinie des corps simples : l’une revient à chercher sous cette multiplicité l’unité d’un élément primordial, l’autre à chercher une loi unique régissant la multiplicité.

Réduire le multiple à l’un

33L’idée que la diversité des éléments pourrait dériver de l’hydrogène est avancée par William Prout au début du xixe siècle. À l’époque, John Dalton a émis l’hypothèse atomique et choisi conventionnellement l’hydrogène pour unité des poids atomiques : H = 1. Ce choix incite à utiliser le poids atomique pour prouver que tous les autres éléments sont des multiples entiers de celui de l’hydrogène. Quand les chimistes déterminent que le poids atomique du chlore est Cl = 35,5 l’hypothèse est aménagée pour accommoder cette décimale. On déclare alors que les poids atomiques sont multiples d’une fraction de l’hydrogène. Ainsi aménagée, l’hypothèse échappe aux démentis expérimentaux et elle trouve un appui dans la classification des radicaux organiques puis dans la théorie darwinienne de l’évolution qui suggère une origine commune des vivants.

34En tout cas, tout au long du xixe siècle, cette hypothèse stimule les classifications fondées sur le principe des relations arithmétiques entre poids atomiques dont le but est de dégager les structures de parenté entre les éléments. Le premier essai – contemporain de ceux d’Ampère et de Thenard – est celui de Johan Döbereiner, professeur à Iéna, qui établit des relations arithmétiques remarquables. Döbereiner propose une série de triades qui reposent sur la corrélation entre analogies chimiques et relations des poids atomiques. Br = Cl + 1/2 ; Na = Li + K/2 ; Se = S + Te/2.

  • 15 Van Spronsen John W., The Periodic System. A Story of the First Hundred Years, Amsterdam, Elsevier (...)

35En regardant la liste de tous les essais de classification fondés sur le poids atomique et antérieurs à Mendeleev dressée par John W. Van Spronsen, on voit que l’objectif de réduction sous-tend la plupart d’entre eux (Gmelin, Gladstone, Cooke, Carey Lea, Lenssen, Dumas)15. Cette quête généalogique centrée sur les liens de parenté a permis de repérer les familles. La caractéristique majeure de cette approche est que les chimistes procèdent du local au local et ne parviennent pas à dresser un tableau d’ensemble. Il est cependant une exception notable : Alex Béguyer de Chancourtois propose à l’Académie des sciences en 1862 une « vis tellurique » fondée sur la prise en considération de la loi de Prout. Mais celle-ci passe inaperçue, sans doute parce qu’elle présente deux faiblesses. Elle mêle corps simples et composés et le graphisme paraît si peu adéquat aux éditeurs des Comptes rendus de l’Académie des sciences qu’il n’est pas inséré dans la publication. En revanche, il subsiste un modèle en 3D dans la bibliothèque de l’École nationale des mines à Paris.

36Ainsi l’hypothèse de Prout stimule les entreprises de classification, mais échoue car elle focalise la recherche sur les parentés locales au lieu d’inciter à la recherche d’une loi d’ensemble. C’est du moins l’analyse qu’en propose Mendeleev pour souligner le contraste avec sa propre démarche.

Chercher une loi générale

37Contrairement aux chimistes français qui adoptent une solution bâtarde, Mendeleev cherche une loi de la nature plus qu’une classification. Or les lois naturelles, dit-il, ne souffrent pas d’exception et c’est en cela qu’elles se distinguent des règles de grammaire, par exemple. Une loi peut être confirmée seulement quand toutes les conséquences que l’on peut en tirer ont subi la sanction expérimentale.

38Ils étaient trois chimistes, travaillant dans les années 1860 à contre-courant de la majorité des classificateurs : John Alexander Newlands, William Odling et Dimitri Mendeleev. Tous trois adoptent les poids atomiques fondés sur la loi d’Avogadro-Ampère qui révèlent mieux des régularités et qui ont été proposés lors du Congrès de Karlsruhe en 1860.

39Mendeleev entrevoit le motif de la périodicité en comparant les éléments les plus dissemblables. Au lieu de chercher des analogies, il cherche les contrastes et découvre ainsi une régularité des poids atomiques :

40Li=7 Na=23 K=39 Rb=85,4 Cs=133

41F=19 Cl=35,5 Br=80 Te=127

42Telle est la charpente de sa table. Ensuite, il va mailler peu à peu un réseau avec les métaux alcalino-terreux et comparer cette démarche à un solitaire chimique.

43Cette démarche par les extrêmes et les éléments les plus légers conduit en 1869 à la loi périodique : « Les propriétés des corps simples et composés dépendent d’une fonction périodique des poids atomiques des éléments pour la seule raison que ces propriétés sont elles-mêmes les propriétés des éléments dont ces corps dérivent ». L’énoncé de cette loi générale de la nature engage trois credo solidaires les uns des autres :

44Le premier credo de Mendeleev est épistémologique : il a foi dans la constance et la généralité des lois de la nature. Et à ses yeux, la science a pour objet de rechercher les lois auxquelles obéissent les phénomènes de la nature, d’en tirer toutes les conséquences et de se mettre en devoir de soumettre ces conséquences aux épreuves de l’expérimentation. C’est pourquoi, dès qu’il entrevoit le motif de la périodicité, il met en œuvre toutes les conséquences possibles : prédiction d’éléments, corrections de poids atomiques, pour parvenir à énoncer une loi générale, la loi périodique des éléments. D’où l’inversion du tellure et de l’iode, et les fameuses prédictions de l’eka-aluminium, de l’eka-bore, et de l’eka-silicium, tous éléments inconnus pour lesquels il laisse des cases vides en prédisant approximativement leur poids atomique et leurs propriétés. Mendeleev reconnaît certes que la loi périodique ne régit pas parfaitement les individualités, mais il estime qu’on trouvera la raison des écarts lorsqu’on connaîtra la cause de la loi périodique, qu’il espère trouver dans une mécanique chimique (mirage du Newton de la chimie).

45Un deuxième credo philosophique inspire la démarche de Mendeleev : il a foi dans l’individualité des éléments. Il est tout à fait hostile à la recherche d’un élément originaire d’où dériveraient tous les autres et dans laquelle il voit la résurgence de l’ambition alchimique de transmutation des éléments. D’où ses protestations contre les récupérations de la loi périodique au service de l’hypothèse de Prout. Pour Mendeleev, l’individualité des éléments chimiques est l’une des trois lois fondamentales qui gouvernent le monde.

  • 16 Mendeleev Dimitri, « Loi périodique des élements chimiques », in Le Moniteur scientifique, IV, 188 (...)

Kant pensait qu’il existe dans l’Univers deux objets qui provoquent l’admiration et la vénération des hommes : « la loi morale au dedans et le ciel stellaire au-dessus de nous ». En approfondissant la nature des éléments et la loi périodique, il faut ajouter un troisième objet : « la nature des individus élémentaires qui s’exprime partout autour de nous » attendu que, sans ces individus, nous ne pourrions pas nous faire une idée du ciel stellaire et que la notion d’atomes révèle, à la fois la singularité des individualités, la réitération in fine des individus, et leur sujétion à l’ordre harmonique de la nature16.

46Une troisième décision – rarement notée mais néanmoins fondamentale – concerne la définition claire et distincte de l’objet à classer. La plupart des devanciers de Mendeleev, s’appuyant sur la notion commune d’élément chimique comme substance indécomposable, ne prenaient pas la peine de distinguer ce qu’ils classaient : des corps simples ou des éléments, les deux mots étaient interchangeables. Mendeleev, en revanche, prend soin d’établir une distinction entre eux, en soulignant que le corps simple peut être caractérisé par ses propriétés physiques et chimiques tandis que seul l’élément est caractérisé par son poids atomique.

Manuscrit du tableau périodique par Mendeleev

  • 17 Mendeleev Dimitri, « The relation between the properties of the atomic weight of the elements », i (...)

Quels que soient les changements des propriétés des corps simples à l’état libre, quelque chose demeure constant, et quand les éléments forment des composés, ce quelque chose a une valeur matérielle et détermine les caractéristiques des composés qui comprennent les éléments en question. […] La valeur du poids atomique, par l’essence même de la matière, est un nombre qui n’est pas déterminé par l’état de division du corps simple mais par la partie matérielle qui est commune au corps simple et à ses composés. Le poids atomique n’appartient ni au charbon, ni au diamant mais au carbone17.

47La distinction peut paraître assez intuitive, voire triviale, quand on l’illustre avec l’exemple du carbone. Mais ces exemples ne dispensent pas d’expliciter les hypothèses théoriques : en l’occurrence, la distinction est sous-tendue par l’hypothèse d’Avogadro qui distingue atomes et molécules. Le corps simple est à l’élément ce que la molécule est à l’atome. De là dérivent les définitions scolaires actuelles : un corps simple est un ensemble de molécules formées d’atomes de même espèce ; un corps composé est un ensemble de molécules formées d’atomes d’espèces différentes. C’est Mendeleev qui a construit ce petit réseau de concepts et défini l’élément par ses relations à d’autres concepts. Après avoir examiné les théories atomiques en vigueur à son époque, il conclut qu’il est plus simple de supposer que l’individualité gît dans les éléments chimiques plutôt que partout ailleurs. C’est un choix, une libre décision.

48Donc la construction d’une classification comme celle de Mendeleev présuppose un pas vers l’abstraction : rapporter la multiplicité phénoménale des substances aux comportements fortement individualisés à des entités abstraites comme les éléments. Le caractère peu positif de cette notion n’a pas échappé à Georges Urbain, un chimiste très influencé par Auguste Comte :

  • 18 Urbain Georges, Les Notions d’élément et d’atome, Paris, O. Doin et fils, 1925, p. 9.

Ce quelque chose de commun à un corps simple et à toutes ses combinaisons présente un caractère nettement mystérieux. Cependant son existence propre nous semble indiscutable, encore qu’il n’y ait positivement là qu’une vue de l’esprit. C’est ce quelque chose que j’appellerai provisoirement un élément. D’après cela l’élément échappe au contrôle immédiat de la sensation. Cette notion dont l’origine expérimentale est hors de discussion, présente néanmoins – et j’insiste sur ce point – un caractère idéologique18.

49Le choix de Mendeleev est un pari sur le pouvoir explicatif d’une notion purement abstraite qui se définit dans un jeu de relations avec d’autres notions.

50La démarche de Mendeleev présuppose, enfin, un credo métaphysique quant à l’harmonie de la nature qui concilie unité et diversité grâce à une loi sans faille. Cet aspect est le seul qui a retenu l’attention de Gaston Bachelard dans Le pluralisme cohérent de la chimie moderne :

  • 19 Bachelard Gaston, Le Pluralisme cohérent de la chimie moderne, Paris, Vrin, 1973, p. 5.

La pensée du chimiste nous paraît, en effet, osciller entre le pluralisme, d’une part, et la réduction de la pluralité, d’autre part. Ainsi on voit d’abord que la chimie n’hésite pas à multiplier les substances élémentaires, à considérer des composés hétérogènes, livrés souvent au hasard de l’expérience. C’est là le premier temps de la découverte. Puis une sorte de scrupule intervient et l’on sent le besoin d’un principe de cohérence, tant pour comprendre les propriétés des substances composées que pour saisir le vrai caractère des substances élémentaires19.

51Ce que Bachelard présente comme une sorte de repentir, motivé par quelque scrupule, nous semble plutôt relever d’un pari risqué. Il ne s’agit pas, comme le suggère Bachelard, de compenser ou de tempérer un « réalisme substantialiste » qui pousserait la chimie à s’engluer dans le particulier concret, au moyen d’un mathématisme pythagoricien visant l’harmonie. Le pari de Mendeleev, comme celui des chimistes qui l’ont renouvelé après lui, serait plutôt de maintenir au cœur des sciences modernes la pertinence d’un discours sur le monde qui part des singularités concrètes et vise à atteindre les causes – à défaut d’atteindre l’universel – au terme d’un processus d’abstraction. Dans la réalité, on n’a affaire qu’à des singularités concrètes, des ceci, qui agissent dans des circonstances locales. On peut néanmoins dégager des lois générales à condition de séparer mentalement les aspects inextricablement embrouillés dans la réalité.

Comment dessiner la classification

  • 20 Pour une analyse plus détaillée des différentes représentations voir Bensaude-Vincent Bernadette, (...)

52Il est bien dommage que l’histoire héroïque ne retienne que la fermeté et les succès de Mendeleev, car c’est un versant moins glorieux, plus hésitant de sa démarche qui nous éclaire sur ce qu’est une opération de classification. Bien qu’il compare sa loi périodique à la loi de Newton et à la loi morale de Kant, Mendeleev reconnaît qu’elle ne livre pas une classification parfaite. Localement, elle présente quelques défauts : elle ne rend pas compte de certaines analogies fortes, par exemple, entre lithium et magnésium, béryllium et aluminium, bore et silicium, ces analogies que l’on dit « diagonales » en raison de la place de ces éléments dans le tableau. De plus, la loi périodique ne livre même pas un schéma global de classification. C’est pourquoi ce « Newton de la chimie » qui se montre si ferme et résolu dans l’énoncé de la loi et dans les prédictions qu’il en tire, tergiverse sur la forme graphique à donner à la classification20.

53Il envisage d’abord une spirale, mais la discontinuité de la fonction périodique le conduit à renoncer à une courbe. Il choisit donc la forme du tableau, faute de mieux, parce qu’elle met en relief la discontinuité de la fonction périodique. Au fil des huit éditions de ses Principes de chimie, Mendeleev essaie plusieurs graphismes avec les périodes à la verticale ou à l’horizontale, avec des périodes longues ou courtes, avec des groupes pairs et impairs. Il cherche inlassablement la meilleure représentation possible sans jamais trouver une solution tout à fait satisfaisante. Sa préférence va à la présentation en trois blocs qui suggère une image globale du système, avec la série courte des éléments typiques et deux blocs en miroirs comprenant les éléments appartenant aux séries paires et impaires car ils ont entre eux plus d’analogies. Mendeleev déplore toutefois qu’une telle présentation sacrifie la continuité du système. Plus loin dans le livre, il détaille une présentation mono-bloc horizontale. En fait, en divers chapitres, il utilise des représentations différentes, adaptant le système périodique suivant le propos, suivant l’intention. La classification idéale unique n’existe pas.

54L’ironie de l’histoire est que parmi les multiples formes possibles qu’il envisage, Mendeleev en abandonne une seule : le tableau long, avec des périodes longues et irrégulières, celui qui est devenu, au xxe siècle, la forme standard du système périodique. Mendeleev ne retient que les tableaux compacts avec des courbes périodiques qui ne dépassent jamais huit éléments.

55Que nous enseigne ce contraste ? Dira-t-on que ces questions de présentation graphique importent peu, qu’au fond il y a un système unique, le système périodique qui traduit fidèlement la réalité ? Mais quelle est la réalité mise en scène dans le système périodique ?

56Les théoriciens voient dans le système périodique une image de l’ordre de remplissage des orbitales électroniques. À leurs yeux, la longueur des périodes successives dans la table actuelle – soit 2, 8, 8, 18, 18, 32 etc., – se déduit de la mécanique quantique. Ainsi la table périodique est donnée comme une sorte de charte, un tableau des briques élémentaires qui livre le secret de la construction du monde matériel, naturel autant qu’artificiel.

57Tel n’est pas le point de vue des chimistes, du moins de ceux qui ne sont pas de purs théoriciens. Depuis plus d’un siècle, ils sont toujours en quête de la représentation « naturelle » de la loi périodique, de celle qui permettrait d’embrasser toutes les analogies constatées dans l’expérience. C’est pourquoi longtemps après Mendeleev, subsiste en chimie une multiplicité de tables périodiques. Chaque chimiste se sent autorisé à donner sa propre version du système périodique, en fonction de son interprétation, ou de son expérience dans la recherche ou dans l’enseignement. Alors même qu’une représentation s’est imposée depuis les années 1960, qui a été officialisée par l’International Union of Pure and Applied Chemistry dans les années 1980, chaque jour des chimistes continuent de soumettre de nouvelles tables de leur cru, dans des revues. Et de recommander un système court ou long, ou entre les deux, en spirale, en hélice ou en pyramide, en deux dimensions ou en trois dimensions.

  • 21 Mazurs Edward G., Graphic Representations of the Periodic System during One Hundred Years, Tuscalo (...)

58Si nombreuses sont les tentatives qu’en 1973 le chimiste Edward Mazurs a inventorié plus de sept cents variétés de systèmes périodiques qu’il a entrepris de classer en distinguant cent quarante-six types structuraux différents21 ! Le système périodique, même fondé sur une loi naturelle qui repose aujourd’hui sur la mécanique quantique, reste donc irréductiblement multiple, et toujours imparfait.

59On voit donc dans le local de la chimie, et encore en se limitant à la classification des éléments, combien il est difficile de penser un ordre unique et univoque. Non seulement les chimistes ont déployé plusieurs stratégies pour classer les éléments mais encore, après avoir arrêté une stratégie, et même admis la validité d’une loi générale gouvernant la multiplicité des éléments, ils doivent encore faire cohabiter plusieurs ordres. Toute classification est à leurs yeux un compromis que l’on peut et doit vouloir optimal mais qui ne sera jamais un ordre parfait.

Notes

1 Frängsmyr T., Heilbronn J.L. et Rider R., The Quantifying Spirit in the Eighteenth Century, Berkeley, University of California Press, 1990.

2 Par exemple, « Acer pseudo-platanus » pour l’érable sycomore, et dans le monde animal « Parus major » pour la mésange charbonnière ; voir Daudin Henri, De Linné à Jussieu. Méthode de la classification et idée de série en botanique et en zoologie (1740-1790), Paris, Alcan, 1983 ; voir aussi Drouin Jean-Marc, Réinventer la nature, Paris, Desclée de Brouwer, 1991, p. 34-37.

3 Crosland Maurice P., Historical Studies in the Language of Chemistry, New York, Dover Publication, 1978.

4 Sur les classifications liées aux tables d’affinités au xviiie siècle voir Klein Ursula, Lefèvre Wolfgang, Materials in Eighteenth-Century Science, Cambridge Mass, MIT Press, 2007.

5 Voir Comte Auguste, Cours de philosophie positive, t. 1, 40e leçon, Paris, Hermann, 1975, p. 732-734.

6 Ibid., 36e leçon, p. 594-595.

7 Ibid., p. 594.

8 Bensaude-vincent Bernadette, « La classification périodique des éléments », in Éléments d’histoire des sciences, Paris, Bordas, 1989, p. 447-468.

9 Voir le chapitre 7.

10 Berzelius, Jacob J., Traité de chimie, Paris, 1819-1833, 8 vols, t. 1, p. 2.

11 Thenard Louis-Jacques, Traité élémentaire de chimie, théorique et pratique, 1813-1816, t. 1, p. 208-210. Ces critères sont maintenus dans les éditions ultérieures, 1817-1818, I, 240-241 ; 1821, I, 256-257 ; 1827, I, 320-322.

12 Pour des vues plus précises sur ce débat voir Bensaude-Vincent Bernadette, Garcia-Belmar Antonio, Bertomeu José Ramon, L’Émergence d’une science des manuels. Les livres de chimie en France (1789-1852), Paris, Éditions des archives contemporaines, 2003, 3e partie.

13 Ampère Louis-Marie, « Essai d’une classification naturelle des corps simples », in Annales de chimie, t. 1, 1816, p. 295-308 et p. 373-394 ; t. 2, p. 5-32 et p. 105-125. Sur Ampère et la chimie voir Scheidecker Myriam, « Impact des idées d’Ampère en chimie sur J.B. Dumas et M.A. Gaudin », in Science et technique en perspective, n° 1, 1997, p. 285-307.

14 Dumas Jean-Baptiste, Traité de chimie appliquée aux arts, Paris, Béchet, 8 vols, 1828-1846.

15 Van Spronsen John W., The Periodic System. A Story of the First Hundred Years, Amsterdam, Elsevier, 1969.

16 Mendeleev Dimitri, « Loi périodique des élements chimiques », in Le Moniteur scientifique, IV, 1889, p. 888-904, citation p. 895.

17 Mendeleev Dimitri, « The relation between the properties of the atomic weight of the elements », in Journal of the Russian Society of Chemistry, 1869, p. 60-67 ; réédité in Leicester H.M., Klickstein H.S., Sourcebook in Chemistry 1400-1900, New York, Dover, 1952 (citation p. 439).

18 Urbain Georges, Les Notions d’élément et d’atome, Paris, O. Doin et fils, 1925, p. 9.

19 Bachelard Gaston, Le Pluralisme cohérent de la chimie moderne, Paris, Vrin, 1973, p. 5.

20 Pour une analyse plus détaillée des différentes représentations voir Bensaude-Vincent Bernadette, « Graphic representations of the periodic system of chemical elements », in Ursula Klein (éd.), Tools and Modes of representation in the Laboratory Sciences, Dordrecht, Kluwer, 2001, p. 133-161.

21 Mazurs Edward G., Graphic Representations of the Periodic System during One Hundred Years, Tuscaloosa, University of Alabama Press, 1974. Mazurs lui-même recommande l’un de ces modèles, qui est aussi l’élu d’Eric Scerri (The Periodic Table. Its Story and Its Significance, Oxford, Oxford University Press, 2007).

Table des illustrations

Légende La classification des métaux de Louis-Jacques Thenard[d’après le Traité de chimie élémentaire, 4e éd. 1824, t. I]
URL http://books.openedition.org/pupo/docannexe/image/1302/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 160k
Légende Classification d’Ampère[d’après « Essai d’une classification naturelle des corps simples »]
URL http://books.openedition.org/pupo/docannexe/image/1302/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 177k
Légende Manuscrit du tableau périodique par Mendeleev
URL http://books.openedition.org/pupo/docannexe/image/1302/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 809k

© Presses universitaires de Paris Nanterre, 2008

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