Le blog d'histoire des sciences

Trois noms sont particulièrement associés à la théorie des quatre éléments : ceux d’Empédocle, de Platon et d’Aristote.

Empédocle (490-435 Av JC), né dans la ville grecque d’Agrigente en Sicile, est un personnage hors norme. Si on en croit la légende, il aurait choisi une mort spectaculaire en se jetant dans l’Etna qui, dit-on, rejeta l’une de ses sandales de bronze sur le bord de son cratère.

C’est dans une forme poétique et prophétique que le philosophe d’Agrigente énonce ce qui sera considéré comme l’origine de la première doctrine chimique :

"Connais premièrement la quadruple racine de toutes choses : Zeus aux feux lumineux, Héra mère de vie, et puis Aidônéus, Nestis enfin, aux pleurs dont les mortels s’abreuvent."

Ainsi parlait Empédocle et ainsi ont interprété ses disciples. Le feu (Zeus), l’air (Héra), l’eau (Nestis) et la terre (Aidônéus) sont les quatre éléments à partir desquels sont formés la totalité des corps qui peuplent l’Univers.

Platon (428-348 Av JC), dans le Timée, reprend le modèle d’Empédocle en l’enrichissant de réflexions sur les nombres et les formes inspirées de Pythagore et des ses disciples.

On leur attribue la découverte des polyèdres réguliers, volumes limités par des faces toutes identiques, elles-mêmes constituées de polygones réguliers.

Ces polyèdres sont au nombre de cinq. Platon, et les Pythagoriciens avant lui, associent chacun des quatre premiers à l’un des éléments d’Empédocle.

 Le tétraèdre, pyramide à base triangulaire équilatérale, est la figure du feu, subtil, léger, piquant.

 L’octaèdre est associé à l’air.

 L’icosaèdre, à vingt faces triangulaires, le plus proche de la sphère, est l’eau.

 L’hexaèdre, le cube, stable, représente la terre.

Les cinq polyèdres réguliers (Jean-Mathurin Mazéas, Eléments de Mathématiques, 1788)

Le cinquième polyèdre régulier, le dodécaèdre a des propriétés mathématiques plus riches. Il comporte 12 faces comme le nombre des signes du zodiaque. Chacune étant un pentagone régulier, figure particulièrement symbolique.

Il est facile, au moyen d’une règle et d’un compas de construire un triangle équilatéral, un carré, un hexagone, un octogone. Tracer un pentagone régulier pose un tout autre problème et n’est à la portée que d’habiles géomètres. (voir)

Disons, sans développer davantage, qu’il fait intervenir des rapports entre longueurs de segments laissant apparaître le "nombre d’Or", le nombre, supposé divin, des philosophes et bâtisseurs grecs soit 1,618... .

Le dodécaèdre est donc à lui seul un condensé de rapports magiques. Platon lui attribue un rôle à la hauteur de ce statut : "il restait une seule et dernière combinaison, Dieu s’en est servi pour le tout quand il a dessiné l’arrangement final" (Platon, Timée). Derrière cette formule ambiguë certains voudront trouver l’esprit pensant, la force vitale, l’énergie motrice ou tout autre concept illustrant l’animation de la matière.

On en fera aussi le symbole de la cinquième essence, la "quinte-essence" (quintessence), la substance qui, désignée encore sous le nom "d’éther", était supposée occuper l’univers des étoiles. Cet "éther", lumineux, électrique et même quantique, qui reviendra de façon cyclique dans le vocabulaire des physiciens quand il leur faudra, comme au temps des premiers philosophes, nommer l’inexplicable.

Aristote (384-322 Av JC), élève de Platon, reprend la doctrine des quatre éléments en considérant, toutefois, que chacun est construit à partir d’une matière primordiale unique. Quatre "forces" agissent pour leur donner forme : le chaud, le froid, le sec, l’humide.

Le chaud, principe d’énergie, de mouvement. Le froid principe d’inertie. L’humide, principe unificateur. Le sec principe de séparation. Ces quatre principes forment quatre couples (les couples chaud-froid et sec-humide étant exclus).

- le feu est associé au couple chaud-sec.

- l’air au couple chaud-humide.

 l’eau au froid-humide.

 la terre au froid-sec.

En résumé :

Le modèle pourra même être enrichi de la dualité masculin/féminin. Ainsi le feu sera chaud, sec, masculin, pendant que l’eau sera humide, froide, féminine.

Un modèle d’une grande puissance évocatrice.

Pendant près de vingt siècles ce modèle sera vivant dans le monde occidental. D’une certaine façon, il l’est toujours. Il a quitté le domaine scientifique mais on le rencontre encore dans la perception intuitive que nous avons conservée de notre environnement. Terre, Eau, Air, Feu (énergie), alimentent toujours nos débats contemporains.
 

Les Quatre Eléments demeurent, surtout, une riche source d’inspiration poétique, littéraire et même, avec Bachelard, psychanalytique.

Dürer. La Mélancolie. 1514. Un condensé de symbolisme pythagoricien, platonicien, alchimique…

Car le modèle résiste !
 

Il a peu d’utilité pratique mais il a une grande force descriptive et esthétique. C’est pourquoi il traverse les siècles sans radicale remise en cause.

Plus de deux millénaires séparent Empédocle de Lavoisier qui, enfin, osera le rejeter du domaine de la science pour le faire entrer dans celui du mythe. Ce faisant, il fera naître un nouvel être, à la fois feu, air, eau et même terre : l’oxygène.

Mais la route est encore longue et les détours nombreux avant d’y parvenir. En chemin nous rencontrons un autre grand moment de la "philosophie de la matière" : l’Alchimie.

L’Alchimie et les quatre éléments.

Les alchimistes ont été violemment dénigrés par les chimistes, leurs successeurs. On cite couramment le chimiste Pierre Joseph Macquer (1718-1784) comme l’un des "pères" de la chimie moderne. Attaché à défendre le statut académique de cette science, il choisit de mettre en évidence la façon dont elle a rompu avec les anciennes méthodes. Sa cible est la vieille "chymie" que ses contemporains, ont pris l’habitude de désigner par le nom "d’alchimie", pour bien différencier leur propre science de la pratique médiévale dont ils refusent l’héritage.

Macquer va même jusqu’à regretter le reste de filiation qui s’exprime dans ce nom de chimie ou "chymie" partagé par les deux disciplines. C’est un mal, écrit-il " pour une fille pleine d’esprit et de raison, mais fort peu connue, de porter le nom d’une mère fameuse pour ses inepties et ses extravagances".

N’y a-t-il cependant pas une certaine ingratitude à renier ces prédécesseurs qui leur ont transmis, entre autres héritages, la doctrine des quatre éléments en donnant à ceux-ci une représentation symbolique simplifiée à base de triangles :

Ceux-ci seront conservés par les chimistes jusqu’à la fin du 18ème siècle. On les trouve même encore représentés dans la "Méthode de Nomenclature Chimique", nouvelle bible de la chimie moderne, publiée en 1787 par Guyton de Morveau, Lavoisier, Berthollet et Fourcroy.

Les symboles alchimiques.

L’alchimie est le domaine des symboles. Elle les a reçus d’antiques traditions issues de la Mésopotamie, de l’Assyrie, de la Perse, de l’Egypte et même la Chine ou l’Inde.

Nous avons retenu sa représentation des quatre éléments par une série de triangles.

Nous pouvons y ajouter les trois principes métalliques :

 le soufre

 le mercure

 le sel

Et les métaux représentés par les signes représentant les Planètes :

Quant aux différentes opérations de l’alchimie, elles sont souvent illustrées par les signes du zodiaque.

Il est certain que l’un des objectifs de ce symbolisme est de rebuter le profane. Glauber, proposant de donner la recette de "La teinture de l’or ou véritable or potable" l’annonce d’emblée :

"La connaissance et la préparation de cette médecine m’étant donnée du très-haut, je prétends, à cause que l’homme n’est pas né pour lui seul, de donner brièvement sa préparation et son usage, mais je ne veux pas jeter les perles devant les pourceaux, j’en veux seulement montrer le chemin aux étudieux, et qui cherchent le travail de Dieu et Nature ; et sans doute ils entendront mes écrits, mais non point un ignorant et qui n’est point expert" (Glauber Jean-Rudolphe, La teinture de l’or ou véritable or potable, Paris 1659)

Cependant il est certain que ce ne sont pas les symboles qui sont les plus hermétiques dans les textes alchimiques mais l’usage qui en est fait. Ils peuvent même donner une allure de rationalité à un texte qui devient de plus en plus ténébreux au fil des pages. Rien d’étonnant donc à ce qu’ils survivent à l’alchimie et qu’on les retrouve même chez Macquer, son pourfendeur.

Pierre-Joseph Macquer, Eléments de Chimie théorique, Paris 1749.

Ils figureront également sur une planche de l’Encyclopédie de Diderot et d’Alembert.

Encyclopédie de Diderot de D’Alembert (Planche chymie)

En complément de la "Méthode de Nomenclature Chimique" (1787), Jean-Henry Hassenfratz (1755-1827) et Pierre Auguste Adet (1763-1834) proposent eux-mêmes un nouveau symbolisme adapté à la nouvelle façon de nommer et de penser.

Ce faisant ils réinterprètent le symbolisme alchimique à la lumière d’une rationalité qui n’était probablement pas celle des premiers chymistes :

"Il paraît qu’on ignore dans quels temps les chimistes ont commencé à se servir de caractères. Les recherches que nous avons entreprises sur cet objet se sont réduites à nous faire connaître d’après quelles vues les anciens avaient ordonné les signes des substances métalliques, dans la persuasion où ils étaient que les corps célestes avaient une influence sensible sur tous les corps animés et inanimés du globe terrestre ; ils avaient distingué les métaux, en métaux solaires ou colorés, en métaux lunaires ou blancs.
 

Les métaux de ces deux classes se subdivisaient ensuite en métaux parfaits, demi-parfaits et imparfaits ; la perfection étant exprimée par un cercle ; la demi-perfection, si nous pouvons nous servir de ce terme, par un demi-cercle ; et l’imperfection par une croix ou un dard.
 

Ainsi l’or, qui était le métal solaire par excellence, était représenté par un cercle seul, cette figure était commune aux métaux de la même classe tels que le cuivre, le fer, l’antimoine : mais elle se trouvait combinée avec le signe de l’imperfection.
 

L’argent qu’ils regardaient comme un métal lunaire demi-parfait était indiqué par un demi-cercle, l’étain, le plomb avaient aussi le demi-cercle pour signe, comme appartenant à la même classe, mais ils étaient distingués de l’argent par la croix ou par le dard.
 

Enfin le mercure qui était un métal imparfait, tout à la fois solaire et lunaire, portait les marques distinctives de ces deux classes, et était désigné par un cercle surmonté d’un demi-cercle auxquels on ajoutait une croix."

Extrait du tableau des nouveaux caractères chimiques, très inspiré des signes alchimiques, de Hassenfratz et Adet. Méthode de Nomenclature Chimique" (1787)

Quoi qu’il en soit, cette rationalité imaginée leur servira de guide pour proposer un symbolisme "moderne". Ils conserveront le cercle pour les substances "métalliques" comme le mercure, le demi-cercle pour représenter les substances ’inflammables" comme le soufre, le triangle dont la pointe est en haut pour représenter les substances "alcalines" et le triangle dont la pointe est en bas pour les substances "terreuses".

Ce symbolisme n’aura pas le même succès que la nomenclature qu’il était supposé illustrer.

Nous ne retracerons pas ici le combat de Lavoisier et des "chimistes français", ses collaborateurs, contre la théorie du Phlogistique qui les amène, en caractérisant et nommant l’oxygène, à proposer une nouvelle nomenclature chimique construite autour des propriétés de cet élément.

Reprise et perfectionnée par Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) elle prendra la forme que nous connaissons aujourd’hui. Nous en reparlerons mais auparavant une nouveau regard sur les corps chimiques mérite d'être évoqué : l'atomisme.

John Dalton (1766-1844) et les atomes.

Comme oxygène, hydrogène, azote, Atome est un mot hérité des Grecs : ἄτομος (atomos), "que l'on ne peut diviser", tel est le nom donné par Démocrite d'Abdère (-460 ; -370) et ses disciples aux particules dont ils imaginaient que l'Univers était constitué. Le mot atome traversera les siècles avec des sens qui évolueront au fil des époques.

Des époques plus récentes voient l'usage de molécule ou "petite masse" (du latin moles, masse). C'est le terme généralement utilisé par Lavoisier.

Mais la théorie atomique contemporaine est réputée commencer avec John Dalton (1766-1844). Chimiste et enseignant, il publie, en 1808, "Un nouveau système de philosophie chimique" dans lequel il propose une première représentation atomique de la matière.

Le mot "atome" apparaît à la fin de son texte comme "l'ultime particule" des corps. Contrairement à notre usage actuel, atome est, pour lui, synonyme de ce que, aujourd'hui, nous appelons molécule. il désigne, aussi bien, une particule de corps simple qu'une particule de corps composé, binaire, ternaire ou quaternaire...

Les "équations" proposées par Dalton nous font réellement entrer dans notre chimie contemporaine pour laquelle une réaction est un "mécano" qui permet, à partir d'une centaine de pièces détachées, les atomes, de construire une multitude d'objets de plus en plus complexes, les molécules.

On retient surtout de Dalton l'attribution de symboles aux atomes. Ceux-ci sont associés à leurs "masses atomiques" établies avec, comme référence, l'hydrogène, le moins dense des éléments alors connus.

Symboles des "atomes"  proposés par Dalton.

Les symboles sont encore fortement inspirés des alchimistes pour lesquels l'Or, "le métal solaire par excellence", était représenté par un simple cercle ou un cercle centré. Est-ce un hasard si c'est par ces signes que Dalton choisit de représenter l'oxygène et l'hydrogène ?

Nouveauté : la représentation des métaux par des lettres dans un cercle ou encore celle des "atomes" composés (nos actuelles molécules).

Conception atomiste de la matière et début de représentation des atomes par une lettre seront développées par le Suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) qui sera le véritable créateur de l'écriture chimique moderne.

De la Nomenclature jusqu'aux formules chimiques : le "chef d’œuvre" français complété par le "génie" suédois.

Dès ses premiers écrits Berzelius choisit de nommer les corps à partir du latin. Son modèle est Guyton de Morveau :

"L’on sait que la nomenclature fondamentale dont nous nous servons est due au génie de M. Guyton de Morveau, et qu’elle a été adoptée à la suite des rectifications faites par une commission des membres de l’institut. M. Guyton eut l’heureuse idée de changer le chaos de noms bizarres qui existait de son temps, en un système de définitions, ou en noms qui indiquaient la nature même des composés qu’ils représentaient, et il rendit par-là un service immense à la science."

Si Lavoisier n’est pas cité, son esprit rôde encore au-dessus de la chimie :

"La nomenclature latine, dite antiphlogistique, qui sert de base à la nomenclature française, est un véritable chef d’œuvre. Celui qui, avec un peu de connaissance de la chimie, la parcourt, la connaît tout de suite ; et elle contient pour ainsi dire une partie principale de la théorie de la science"

Comment imaginer plus beau compliment ? Dans son traité de 1813, rédigé en français sous son contrôle, Berzelius donne un tableau des termes français accolés à la nomenclature latine qu’il propose. La concordance des deux langues est remarquable. Le latin chimique semble être, en réalité, un français latinisé.

Cependant, 25 ans le séparent de la première nomenclature française, il pense donc nécessaire de lui apporter quelques corrections.

Pour lui, comme pour Lavoisier, toute la chimie s’organise autours de l’oxygène, il ne touche donc pas au terme d’oxygène, pourtant si controversé.

Parmi les dénominations qu’il propose et qui rompent avec le français on peut noter :

Concernant les deux dernières dénominations, il explique :

"On s’est servi dans la nomenclature française, pour désigner les alkalis purs, des mêmes noms que pour les alcalis du commerce. De là des inconvénients, lorsqu’on est obligé de parler de ces substances alcalines. De plus, le mot potasse qui dérive d’un mot allemand et suédois, lequel veut dire cendre de pot, ne se laisse pas trop latiniser sans trop de violence. C’est pourquoi les chimistes allemands ont été conduits à remplacer le mot potasse pure par celui de kali, et le mot de soude pure par celui de natron, et par conséquent à appeler kalium et natrium les radicaux des alcalis fixes. L’on fera bien, je crois, de les conserver dans la nomenclature latine."

Il est effectivement étonnant de constater que, si les Allemands et Suédois ont abandonné potasse, les Français l’ont conservé, estimant, quant à eux, que ce n’était pas lui faire violence que de le latiniser. Pour les chimistes français, la lettre K symbolise donc le potassium. De même le sodium des français est symbolisé par Na. Les mots français du "commerce" ont parfois la vie longue. Les mots soude, potasse, ammoniaque sont encore présents dans les manuels de chimie de l’hexagone.

Ce récit nous a amenés, à plusieurs occasions, à utiliser, dans un souci de clarification, les notations modernes : O₂, H₂, H₂O, K, Na… Ce symbolisme, devenu le langage universel de la chimie, est le plus beau des cadeaux laissé par Berzelius à ses successeurs.

Symboles et équations chimiques.

Berzelius rappelle le temps des signes alchimiques "créés par le besoin de s’exprimer d’une matière mystique et incompréhensible pour le vulgaire". Jugement sévère car dans le même temps il reconnaît le choix judicieux des signes proposés par les réformateurs "antiphlogistiques" français alors que ceux-ci s’étaient, eux-mêmes, largement inspirés des signes alchimiques.

Quoi qu’il en soit, il considère qu’un signe introduit une inutile difficulté car, dit-il, "il est plus facile d’écrire un mot en abrégé que de dessiner une figure". D’où sa volonté de proposer d’autres signes. Non pas des signes "créés dans la vue de les placer, comme les anciens, sur les vases de laboratoire", mais des signes ayant pour objet "de nous mettre en état d’énoncer brièvement et avec facilité le nombre d’atomes élémentaires qui se trouve dans chaque corps composé".

Il choisit donc, comme symboles, les lettres de l’alphabet "pour pouvoir être facilement tracés et imprimés sans défigurer le texte". On prendra "la lettre initiale du nom latin de chaque corps simple" et pour distinguer deux corps dont le nom commencerait par la même lettre, il suffira d’y adjoindre les deuxièmes ou troisièmes lettres du nom. Ainsi le soufre sera désigné par le S, le silicium par Si, le stibium (antimoine) par Sb, le Stannum (étain) par Sn.

Pour les molécules contenant plusieurs atomes identiques, leur nombre sera indiqué par un exposant. Ainsi pour l’eau : H²O, pour le "gaz carbonique" : CO². Le symbole a traversé le temps avec comme seule modification la transformation de l’exposant en un indice : H₂O, CO₂...

L’ensemble des propositions de Berzelius peuvent être considérées comme le couronnement de la réforme de la nomenclature chimique initiée 25 ans plus tôt par les chimistes français.

Si, pour nos contemporains O₂, H₂O, CO₂, sont bien autre chose que des signes cabalistiques, c’est à Guyton de Morveau, à Lavoisier, à Dalton et à Berzelius que nous le devons.

Pour l’ensemble de cette histoire voir :

Suivre le parcours de l’oxygène depuis les grimoires des alchimistes jusqu’aux laboratoires des chimistes, avant qu’il n’investisse notre environnement quotidien.

Aujourd’hui, les formules chimiques O2, H2O, CO2,… se sont échappées des traités de chimie et des livres scolaires pour se mêler au vocabulaire de notre quotidien. Parmi eux, l’oxygène, à la fois symbole de vie et nouvel élixir de jouvence, a résolument quitté les laboratoires des chimistes pour devenir source d’inspiration poétique, picturale, musicale et objet de nouveaux mythes.

À travers cette histoire de l’oxygène, foisonnante de récits qui se côtoient, s’opposent et se mêlent, l’auteur présente une chimie avant les formules et les équations, et montre qu’elle n’est pas seulement affaire de laboratoires et d’industrie, mais élément à part entière de la culture humaine.

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voir aussi :

Un livre chez Vuibert.

Dérèglement climatique, fonte des glaces, cyclones, sécheresses…, coupable : le dioxyde de carbone. Pourtant sans ce gaz il n’y aurait aucune trace de vie sur Terre.

L’auteur nous fait suivre la longue quête qui, depuis les philosophes de la Grèce antique jusqu’aux chimistes et biologistes du XVIIIe siècle, nous a appris l’importance du carbone
et celle du CO2.

L’ouvrage décrit ensuite la naissance d’une
chimie des essences végétales qui était déjà bien élaborée avant qu’elle ne s’applique au charbon et au pétrole. Vient le temps de la « révolution industrielle ». La chimie en partage les succès mais aussi les excès.

Entre pénurie et pollutions, le « carbone fossile » se retrouve aujourd’hui au centre de nos préoccupations. De nombreux scientifiques tentent maintenant d’alerter l’opinion publique.
 

Seront-ils entendus ?

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