Comment le tableau périodique a survécu à une guerre pour assurer l'avenir de la chimie

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L'hafnium est un métal de transition nommé d'après le nom latin de Copenhague (Hafnia), où l'élément a été découvert. Crédit : Klaudia Kilman/Alay

L'hafnium n'est pas un élément particulièrement remarquable. Ce n'est pas votre sodium explosif, votre mercure chatoyant ou votre soufre puant. C'est un métal grisâtre couramment utilisé comme absorbeur de neutrons dans les barres de commande des centrales nucléaires et des sous-marins nucléaires, ainsi que comme isolant dans les puces informatiques. Mais la découverte de l'hafnium, rapportée dans Nature il y a un siècle cette semaine1, était d'une importance disproportionnée. L'élément a été identifié par deux scientifiques travaillant à Copenhague : le physicien néerlandais Dirk Coster et le chimiste hongrois Georg von Hevesy. Cette découverte garantit non seulement l'héritage du tableau périodique, mais également l'avenir de la chimie. L’hafnium est également devenu une victoire durement gagnée contre ceux qui sont déterminés à saper les découvertes fondées sur des preuves.

Le tableau périodique des éléments de Dmitri Mendeleev, créé en 1869, est né de la prise de conscience que les éléments chimiques tels que l'oxygène et l'hydrogène partagent certaines relations. La contribution de Mendeleev et celle du chimiste allemand Julius Lothar Meyer, travaillant de manière indépendante, ont fourni un ordre pour les éléments, ainsi que des critères pour les classer en groupes précis. Il est remarquable que les schémas de Mendeleev et de Lothar Meyer étaient basés sur la structure subatomique des éléments, plusieurs décennies avant la découverte des électrons et des protons.

Lorsque Mendeleïev a conçu la forme approximative du tableau périodique, il est parti de 63 éléments connus. Pour que la table fonctionne, il a dû laisser des espaces où pourraient être placés des éléments encore inconnus. Ces éléments ont rapidement commencé à apparaître. Par exemple, l'« élément 68 » prédit, le gallium, a été identifié quelques années plus tard, en 1875. En 1914, il ne restait plus que sept lacunes.

Une avancée majeure a eu lieu en 1913, lorsque Henry Moseley, un physicien britannique, a montré que les éléments pouvaient être classés selon leur numéro atomique ou leur nombre de protons. Les travaux de Moseley ont fourni à la fois une « carte des lacunes » plus précise et une méthode d'identification des éléments à partir des spectres produits en exposant les éléments candidats aux rayons X.

La bataille derrière les derniers ajouts au tableau périodique

Mais la découverte (et la dénomination) de l’élément 72, l’hafnium, était tout sauf simple. Le chimiste français Georges Urbain a initialement proposé, en 1911, que l'élément 72 appartenait aux éléments des terres rares du tableau périodique et l'a nommé celtium. Mais environ une décennie plus tard, le physicien danois Niels Bohr — qui a utilisé la théorie quantique pour développer un modèle de l'atome dans lequel les électrons gravitent autour du noyau — a prédit que l'élément 72 ferait partie des métaux de transition, et plus proche du zirconium (élément 40). Cela a finalement été confirmé par Coster et von Hevesy – tous deux travaillant au laboratoire de Bohr à Copenhague – qui ont recherché des minéraux de zirconium pour l'élément2. Le duo a nommé leur découverte hafnium, d'après le nom latin de Copenhague. Ils obtinrent les spectres des rayons X en décembre 1922 et leur article1 suivit en janvier 1923.

Mais la controverse était loin d'être terminée, car Urbain refusait obstinément d'abandonner, même s'il avait déjà été prévenu que le matériau qu'il appelait celtium n'était pas conforme aux critères de l'élément 72. En 1914, Moseley et Urbain avaient collaboré sur une étude aux rayons X non publiée qui n'a pas réussi à montrer que le celtium était l'élément 72. Urbain a expliqué cela en disant que la méthode aux rayons X n'était tout simplement pas assez sensible3 - une évaluation que le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford, écrivant dans Nature , d'accord avec4. Urbain a également suggéré que l'équipe de Copenhague essayait de s'attribuer le mérite de son travail5 ; dans leur réponse, Coster et von Hevesy ont refusé de personnaliser le différend et ont argumenté sur la base de leurs résultats6.

Le débat s'est poursuivi, avec des scientifiques des Pays-Bas, d'Allemagne et de Scandinavie du côté de l'équipe de Copenhague, tandis que ceux de France et du Royaume-Uni (qui soutenaient le boycott de la science allemande au lendemain de la Première Guerre mondiale) prenaient la contre-position. . L'hafnium n'a été accepté par l'Union internationale de chimie pure et appliquée qu'en 1930, quelques années après la fin officielle du boycott. En France, le celtium continue d'occuper la place de l'élément 72 parmi les éléments des terres rares jusqu'au début des années 19402.