De Lavoisier à Mendeleïev : l'identification d'éléments dans la pratique chimique entre 1770 et 1870

From Lavoisier to Mendeleev : the identification of chemical elements in practice between 1770 and 1870

• Auteur / Autrice : Sarah Hijmans
• Direction : Jean-Pierre Llored
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Histoire et de philosophie des sciences
• Date : Soutenance le 27/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Savoir, sciences, éducation (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Sciences philosophie histoire (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Karine Chemla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Chemla, José Ramón Bertomeu Sánchez, Ursula Klein, Hasok Chang, Robin Findlay Hendry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Ramón Bertomeu Sánchez, Ursula Klein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analogie (philosophie)

Éléments (chimie)

Chimie -- Histoire

Philosophie des sciences

Chimie

Mots clés libres

Histoire et philosophie de la chimie

Pratiques scientifiques

Histoire de la chimie

Élément chimique

Raisonnement analogique

History and philosophy of science

Scientific practice

History of chemistry

Chemical element

Analogical reasoning

Résumé

La définition de l'élément chimique en tant que substance simple, défendue par Antoine de Lavoisier dans son Traité Elémentaire de Chimie de 1789, est rapidement adoptée par les chimistes européens et reste dominante pendant la majeure partie du XIXe siècle. Malgré cela, les chimistes de l'époque admettent de nombreuses exceptions à cette définition lorsqu'ils tentent de déterminer si une substance est élémentaire ou non. La définition lavoisienne n'est, du reste, pas suffisante en elle-même pour identifier des substances élémentaires : la distinction entre substances simples et composées nécessite des connaissances préalables sur la composition des substances étudiées, sans lesquelles il est impossible d’interpréter les résultats expérimentaux. Par conséquent, l’étude de l’évolution des définitions historiques ne permet pas à elle seule de comprendre les pratiques chimiques au cours de ce siècle. A partir d’une série d’études de cas, cette thèse étudie comment, entre 1770 et 1870, les chimistes ont concrètement identifié des substances spécifiques comme étant des éléments chimiques. Les trois premiers chapitres traitent des travaux de Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Louis-Joseph Gay-Lussac et Louis Jacques Thenard au cours des deux premières décennies du XIXe siècle. Loin de fournir une méthode univoque pour l'isolement des substances élémentaires, leurs tentatives de décomposition chimique font partie d'une argumentation plus complexe intégrant des résultats expérimentaux, des inférences analogiques et des connaissances théoriques antérieures. S’appuyant sur l’idée selon laquelle les ressemblances de propriétés chimiques sont des signes d’une composition chimique similaire, ces chimistes se servent de l’analogie comme une forme de preuve dans l’étude de la composition. La deuxième partie de la thèse traite de l'identification de nouveaux éléments par l'analyse chimique des minéraux à partir du débat autour de la nature du tantale, du niobium et d'autres « métaux du tantale » dont l'existence est débattue entre 1801 et 1866. Dans ce cas également, la simplicité expérimentale des substances en question ne joue qu'un rôle secondaire dans l'identification des éléments : la pratique de l'analyse chimique inorganique vise à caractériser les éléments à partir de leurs composés, plutôt que de les étudier sous forme de substance simple. Ainsi, l'existence de nouveaux métaux est régulièrement démontrée à partir de l'identification de leurs oxydes métalliques sur la base d’un raisonnement analogique similaire qui repose sur le lien entre propriétés chimiques et composition. L’existence d’une tradition d’identification de diverses substances métalliques en lien avec leur intérêt économique permet aux chimistes analytiques de se fier aux méthodes établies sans avoir besoin de proposer des réflexions explicites sur leur usage de l’analogie. A partir de ces études de cas, cette thèse montre qu’entre 1770 et 1870, les identifications d'éléments ne suivent que rarement la définition communément admise selon laquelle chaque substance indécomposable doit être provisoirement identifiée comme un élément chimique. Inversement, tous les éléments chimiques ne sont pas isolés sous forme de substances indécomposables. L’identification des éléments chimiques se fait uniquement sur la base d’une convergence pragmatique entre différents types de preuve provenant de résultats expérimentaux et raisonnements analogiques. Cette conclusion indique que certains aspects de la définition des éléments chimiques de Mendeleïev sont déjà implicitement présents dans la chimie (post)lavoisienne ; de plus, elle contredit la caractérisation du concept d'élément chimique comme une notion purement empirique pendant la période qui sépare les travaux de Lavoisier de ceux de Mendeleïev. En effet, le concept d'élément chimique se trouve à l'intersection des pratiques expérimentales et théoriques, dont l'imbrication est au coeur de l'histoire de la chimie.

In his Traité Elémentaire de Chimie in 1789, Antoine de Lavoisier famously defined the element as a chemically indecomposable or 'simple' substance. This definition was quickly adopted by chemists throughout Europe and remained dominant at least until Dmitri Mendeleev advocated for a different definition in 1869. However, when determining whether a substance was elementary or not, chemists regularly made exceptions to this definition. In practice, Lavoisier’s definition was not in itself sufficient for the identification of chemical elements: the distinction between simple and compound substances required prior knowledge of the composition of the substances under study, without which experimental results could not be interpreted. Therefore, while the analysis of (changes in) historical definitions can provide the theoretical criteria for elementary nature, only a study of identification practices can show how such criteria were adapted to chemical practice. Focusing on 1770-1870, the period during which the element was defined as a simple substance, this thesis shows how chemists actually went about identifying chemical elements. It consists of a series of case studies analysing the arguments on the basis of which the elementary nature of specific substances was established and/or questioned. The first three chapters focus on the work of Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Louis-Joseph Gay-Lussac and Louis Jacques Thenard in identifying the nature of aluminium, chlorine and ammonia between 1807 and 1820. I argue that far from providing an unambiguous method for the isolation of elementary substances, the results of their experimental decomposition attempts provided only part of a complex argumentation, in which empirical findings had to be made coherent with analogical inferences, chemical classification and existing theoretical knowledge. Relying on the idea that similarities in chemical properties indicated similarities in composition, chemists used chemical analogy as evidence in the study of chemical composition. The second part of the thesis examines the field of mineral analysis, focusing on the repeated controversies on the nature of tantalum, niobium and a number of other potential "tantalum metals" between 1801 and 1866. I argue that the procedures of mineral analysis enabled the identification of metals using the chemical behaviour of their compounds without requiring their isolation in the form of simple substances. The existence of previously unknown metals was regularly inferred from the identification of their metallic oxides on the basis of a similar analogical inference that relied on the link between chemical properties and composition. In analytical chemistry, this use of analogy remained mostly implicit because practitioners could build on a longer tradition of identification of metals for their economic value and therefore did not need to reflect on their own methods. The case studies that make up this thesis show that in practice, nineteenth-century chemists rarely followed the definition of chemical elements as simple substances. Not all indecomposable substances were viewed as elements, and not all elements were isolated in the form of indecomposable substances. Elementary nature could only be established on the basis of a pragmatic convergence between evidence from analogy and experiment. This conclusion suggests that aspects of Mendeleev’s definition of chemical elements were already implicitly present in (post)Lavoisian chemistry, and contradicts a common view of the chemical element as a purely ‘empirical’ notion during the period between Lavoisier and Mendeleev. Rather, the concept of chemical element lay at the intersection of experimental and theoretical practices, the interweaving of which is at the heart of the history of chemistry.