ATOMIQUE THÉORIE

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Les conjectures de Dalton

La première conjecture, riche d'une longue tradition, remontant aux philosophes de l'Antiquité, tels qu'Épicure ou Lucrèce, pose la matière comme faite d'atomes.

La deuxième conjecture est l'indiscernabilité de ces corpuscules. Les atomes d'un même élément sont tous identiques, mais les éléments se distinguent les uns des autres par des atomes différents. Les atomes de fer, par exemple, diffèrent de ceux de cuivre.

La troisième conjecture, d'une grande hardiesse, et que Dalton formula à l'examen d'une grande masse de faits expérimentaux, issus de la chimie pneumatique en particulier, est que les éléments se combinent pour former des composés dans des proportions définies. Qui plus est, ces proportions sont les plus simples. Lorsque deux éléments A et B s'unissent en une combinaison, le composé qui en résulte peut être décrit par une formule telle que AB, ou AB2 ou A2B, plutôt que par des formules plus compliquées comme A4B4, A3B6 ou A10B5. Cet axiome de simplicité maximale n'était pas inédit dans l'histoire de la pensée. Les philosophes des sciences le dénomment « rasoir d'Ockham », du nom du théologien médiéval Guillaume d'Ockham (1290 env.-1349 env.).

La quatrième conjecture complète la précédente : deux éléments ne sont pas tenus de former des composés d'un type unique. Ils peuvent se combiner suivant des proportions multiples. Par exemple, un atome de carbone C peut s'unir à un atome d'oxygène O pour former le monoxyde de carbone CO. Mais on connaît aussi, remarqua Dalton, un autre composé des mêmes éléments dans lequel un atome de carbone C se combine avec deux atomes d'oxygène O pour former le gaz carbonique CO2.

Enfin, cinquième conjecture, qu'on peut qualifier de révolutionnaire par sa hardiesse (les philosophes des sciences qualifient un tel saut conceptuel de « transduction »), on peut inférer les masses des atomes – pourtant alors totalement inaccessibles à l'observation du fait de leur petitesse – à partir de mesures faites sur des échantillons microscopiques. Et Dalton de proposer une échelle des masses atomiques relatives : en prenant l'hydrogène H pour unité, l'azote et le carbone auraient, d'après Dalton, pour masse 5, l'oxygène aurait la masse 7, le phosphore 9, le soufre 13, le fer 38, et le plomb 95 (valeurs de 1808 ; les valeurs modernes des masses atomiques des mêmes éléments sont H = 1, C = 6, N = 7, O = 8, S = 32, P = 31, Fe = 56 et Pb = 207).

John Dalton était un quaker, ce qui lui offrit une éducation de qualité. Très jeune, il devint instituteur dans une école quaker. À partir de 1793 (il avait vingt-sept ans), il s'installa à Manchester, vivant de tutorats et d'une activité de consultant industriel. Il participa activement, dans cette ville, aux activités d'une académie des sciences, la Literary and Philosophical Society. Elle lui fournit un forum pour ses idées, dont par exemple sa description de sa propre infirmité oculaire, connue désormais sous le nom de daltonisme.

Dalton formula sa première théorie atomique en 1801. Il eut conscience de son importance, la comparant à la théorie de la gravitation universelle de Newton. En 1803, Dalton étendit sa théorie, restreinte jusque-là aux gaz atmosphériques, à la chimie tout entière. Mais il ne la publia qu'en 1808, hésitant à s'en remettre à la communauté scientifique de son temps, à l'instar de Darwin avec sa théorie de l'évolution. Nous sommes redevables à un autre scientifique de la divulgation de la théorie atomique de Dalton. Thomas Thomson, de l'université d'Édimbourg, rendit visite à Dalton en 1804. Il adopta la nouvelle théorie avec enthousiasme, commença de l'enseigner en Écosse, et la présenta dans un manuel de chimie qu'il publia en 1807.

Dalton fut amené à postuler la théorie atomique par la météorologie ! Comment se fait-il que, dans l'atmosphère, des gaz de densités différentes ne se stratifient pas entre les plus denses et les moins denses ? La base du raisonnement daltonien fut la loi, expérimentale, de Boyle-Mariotte : si l'on augmente la pression d'un gaz d'un facteur trois, par exemple, son volume diminue du même facteur. L'explication de Dalton fut que les particules de gaz, au comportement newtonien, se repoussent lorsqu'elles sont identiques. Chacune, conjectura Dalton, s'entoure de calorique, d'où leur répulsion mutuelle. En revanche, toujours suivant Dalton, lorsque les particules de gaz sont différentes, elles s'ignorent mutuellement, ne s'attirent ni ne se repoussent. Elles contribuent, chacune de son espèce, à la pression partielle du gaz correspondant. Et ces pressions partielles se conjuguent pour constituer la pression totale. De ces considérations, balayées durant la seconde moitié du xixe siècle par la théorie cinétique des gaz, Dalton inféra sa première théorie atomique, celle de 1801.

Reste à mentionner la question de la représentation des atomes. Dalton, qui construisit aussi pour son usage personnel de petits modèles d'atomes et de leurs composés, faits de boules, publia une série de symboles des atomes des divers éléments, faits de cercles étiquetés par des lettres spécifiant l'élément dont il s'agissait. Cette terminologie, trop lourde, fut remplacée par les symboles qu'introduisit le Suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848), que nous continuons d'employer aujourd'hui. Chacun des éléments est symbolisé par une lettre (comme H, C, O, N) ou par deux (Fe, Pb).

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  • : professeur honoraire à l'École polytechnique et à l'université de Liège (Belgique)

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Pour citer l’article

Pierre LASZLO, « ATOMIQUE THÉORIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-atomique/