CHAPITRE I COMPOSITION CHIMIQUE DES ESPÈCES

§ i ÉLÉMENTS CHIMIQUES DES MINÉRAUX

Corps simples. Leur définition. — Les espèces minérales sont formées par L'association, en proportions définies, de corps simples, c'est-à-dire d'éléments qui ont résisté jusqu'ici à toute tentative faite pour les décomposer. Dans l'état actuel de la science, le nombre de ces éléments paraît être d'environ 80. Mais beaucoup d'entre eux sont spéciaux à une catégorie très restreinte de minéraux, de telle sorte qu'un petit nombre d'éléments suffit à produire la grande diversité des espèces naturelles.

Cbaque élément se caractérise par ses propriétés physiques à l'état isolé, par ses aflinités chimiques, mais surtout par le poids de ce corps qui intervient dans les combinaisons de même ordre avec les autres éléments, suivant les lois dites des proportions définies et des proportions multiples. Ce poids est évalué par comparaison avec celui d'un certain corps simple pris pour unité et prend le nom d'équivalent chimique de 1 élément. Il est représenté dans les formules par un symbole. Ainsi H est le symbole de l'hydrogène, Cl celui du chlore, et le symbole IIC1 représente un composé dans lequel, lhydrogène entrant pour 1, le chlore entre précisément pour le nombre que les chimistes ont admis comme son équivalent relativement à l'hydrogène.

Poids atomiques. — Les combinaisons chimiques ne paraissent pas pouvoir s'opérer autrement que par l'union des atonies. Si donc on a des raisons de

croire qu'une combinaison donnée soit la plus simple qui puisse exister entre deux corps, il semble naturel d'admettre qu'elle a eu lieu entre deux atomes et, par suite, que les équivalents représentent les poids respectifs des atomes, dire les pm'ds atomiques. Cependant cette interprétation laisse subsister quelque arbitraire. Ainsi la formule de l'eau peut s'écrire HO. auquel cas l'équivalent de l'oxygène, relativement à l'hydrogène, est 8, puisqu'il faut, en poids, 3 parties d'oxygène contre une d'hydrogène pour faire de l'eau. Dans ce cas, l'atome d hydrogène pesant i, celui d'oxygène pèserait 8. Mais si la formule de l'eau devait s'écrire H'O, le poids de l'hydrogène s'appliquerait alors à deux atomes et, dans ce cas, le poids atomique de l'oxygène deviendrait égal à 16.

Loi des volumes. — Pour lever cette incertitude, on a recours, toutes les lois «pie cela est possible, à la considération du volume occupé par les corps gazeux. En effet, d'après la loi découverte par Gay-Lussac (i), il y a toujours un rapport simple entre les volumes (mesurés à la même pression) de deux gaz qui se combinent et, de plus, le volume du composé gazeux est aussi dans un rapport simple avec les volumes des gaz composants. En général, on constate qu'il y a union de i volume d'un gaz avec i ou a volumes d'un autre et que le composé résultant forme deux volumes.

Les rapports volumétriques des gaz qui se combinent offrent donc les mêmes relations de fixité que les poids respectifs, c'est-à-dire les équivalents, de ces éléments, d'où il résulte qu'il doit y avoir un rapport déterminé entre les poids .spécifiques (ou poids sous l'unité de volume) des gaz et leurs poids atomiques.

Pour découvrir la loi de ce rapport, considérons l'acide chlorhydrique, qui appartient au type de combinaison le plus simple et dans lequel il entre un équi valent d'hydrogène, pesant i, pour un équivalent de chlore, pesant 35,5. Ces deux quantités occupent, à l'état gazeux, le même volume. Mais, en outre, puisqu'elles sont proportionnelles aux équivalents chimiques, chacune d'elles peut être considérée comme représentant l'unité de matière du gaz correspondant; car cette unité a précisément l'équivalent pour mesure. Donc l'unité de matière d'hydrogène occupe le même volume que l'unité de matière de chlore; ce qu'on peut exprimer encore en disant (pie, à l'état gazeux, des volumes égaux de ces deux éléments renferment le même nombre de particules intégrantes nu molécules.

Ce résultat peul être généralisé et appliqué à tous les gaz. En effet, l'expérience indique que les combinaisons gazeuses se faisant par l'union de i volume avec i. avec a ou avec '» volumes, les composés résultants occupent toujours soit i, soit a volumes. Or, dans h; premier cas, on peut s'assurer par I obser-

Coosalter, pour les développements relatifs au sujet que nous nous contentons ici d'effleurer, Wurtz, /" Théorie atomique, Paris, 1879. — Naquel et Banrio{, Principe» de chimie fondée si" /<■} théorie» moderne» i - roi, in- 18.

POJDS MOLÉCULAIRES 401

vation que le chiffre i est théorique, car la plus petite quantité du gaz qui puisse se former à l'état libre occupe en réalité deux volumes. Non- sommes donc ainsi conduits à L'hypothèse depuis longtemps formulée par Avogadro et Ampère

d'après laquelle tous les gaz composés, pris dans les mentes circonstances de température et dépression, occupent le même volume par unité de matière, ce qui revient

à dire que des volumes égaux de gaz renferment le même nombre de molécules. On voit de suite (pie la même loi est applicable aux gaz simples, si l'on admet que, pour chacun d'eux, l'atome ne constitue pas nécessairement le dernier élément matériel; de sorte qu'il y a des gaz simples dont la molécule peut être formée de deux ou plusieurs atomes semblables.

Cette identité de tous les gaz, au point de vue du nombre de molécules par unité de volume, n'est pas une hypothèse uniquement fondée sur la chimie. Elle s'impose avec non moins de force, si l'on fait intervenir la loi de Mariotte et la considération de l'égale dilatabilité «les gaz. En effet, dans un corps élastique, la compression ou la dilatation doit être proportionnelle à la dislance des parties compressibles, c'est-à-dire à la valeur des intervalles intermoléculaires. Gela posé, dire que tous les gaz parfaits sont également dilatables ou compressibles, c'est dire que tous ont la même valeur moyenne pour la distance des molécules ou, en d'autres termes, qu'un volume donné de gaz, à une certaine pression, contient toujours le même nombre de molécules, quelle que soit sa nature.

Il convient toutefois d'introduire cette restriction, que la règle d'Avogadro et d'Ampère est une règle-limite, qui n'est rigoureusement exacte que dans le cas d'une pression nulle. A la température de zéro et sous une pression d'une atmosphère normale, les volumes de divers gaz qui contiendraient exactement le même nombre de molécules seraient entre eux comme

(i-+-a)(i — by (H-a')(i-4')' (H-«ff) (~i — b")

les nombres a, b, a', V , a" , b", étant des constantes propres à chaque gaz et dont la valeur est toujours inférieure à 0,01 (1).

En revanche, si l'on prend les densités de différents gaz sous des états correspondants, tels qu'ils ont été définis par Van der Waals, et qu'on les ramène à zéro ainsi qu'à une atmosphère normale par les formules des o-az parfaits, on peut dire que ces densités deviennent rigoureusement proportionnelles aux poids moléculaires des gaz considérés (2).

Poids moléculaires. — De cette manière, pour connaître exactement les poids des molécules, il suffit de pouvoir déterminer, sous la réserve qui vient d'être indiquée, la densité des corps à l'état gazeux (3) et, en prenant pour

(1) Guye, Bull. soc. chimique de Paris, 8e série, t. 33 (1906), p. x.

(2) Guye, loc. cil.

(3) En réalité le poids moléculaire d'un gaz est proportionnel, non pas à sa densité réelle mais au produit de cette densité par son volume moléculaire.

DE LAPPARBKT, COCRS DE MINÉRALOGIE. 26

unité le poids de l'hydrogène, qui est le moins pesant de ions sons L'unité de volume, on aura ta série des poids moléculaires, rapportés à l'hydrogène.

Ces poids moléculaires seront-ils. pour 1rs corps simples, l'exacte représentation des poids atomiques ? c'est-à-dire pourra-t-on considérer chacun d'eux

comme égal au poids d'un atonie simple du corps correspondant? Pour le i-, examinons ce qui se passe dans les combinaisons hydrogénées.

La densité d'un gaz, celle de l'hydrogène étant prise pour unité, représente le rapport du poids de i volume du gaz considéré au poids de i volume d hydrogène. Mais quand i volume d'hydrogène, contenant i atome de ce gaz, dont le poids est i, s'unit à i volume de chlore, pesant 35,5 (i), il en résulte deue volumes d'acide chlorhydrique, dont la densité est i8,2j. La molécule d'acide chlorhydrique, pour renfermer au moins un atome indivisible d'hydrogène, doit donc représenter le poids de deux volumes, c'est-à-dire, dans l'espèce, i, en vertu du principe posé plus haut, il en doit être de même de tous les °"a/.. En uu mol, les poids moléculaires sont les poids de deux volumes, l'unité de volume étant définie par le volume qu'occupe un seul atome d'hydrogène. Par suite, le poids atomique de ce gaz étant i, son poids moléculaire est 2; de même, la vapeur d'eau étant 9 fois plus dense que l'hydrogène, cela signifie que la molécule d'eau pèse 18 fois plus que l'atome d'hydrogène, c'està-dire que le poids moléculaire de l'eau est égal à 1 8, le poids atomique de l'hydrogène étant égal à i.

On en déduit la règle suivante (a) : Pour avoir le poids moléculaire d'un corps, chercher combien de fois sa densité, à l'état gazeux, surpasse celle de l'hydrogène et multiplier le nombre obtenu par i. Ainsi, la densité de l'oxygène étant 16 fois plus grande que celle de l'hydrogène, le poids moléculaire de l'oxygène est 3a et correspond à deux atomes, c'est-à-dire à 2O. L'ammoniaque gazeuse, 8 fois et demie plus dense que l'hydrogène, a son poids moléculaire égal à 17. L'analvse partage ce poids en 3 d'hydrogène et 14 d'azote, ce qui donne, pour la molécule, la formule Azll

Le poids moléculaire d'un corps étant le double du rapport de la densilé de ce corps (supposé gazeux) à celle de l'hydrogène et la densité de l'hydrogène étant à celle de l'air dans le rapport de 1 à i4,44> on peut dire que le poids moléculaire est le produit de la densité du corps à l'état gazeux par a X 1 i/i » ou 28,88.

Corps non gazeux. Considération de la chaleur spécifique et de 1 isomorphisme. — La règle indiquée permet de déterminer les poids moléculaires de tous les corps gazeux ou susceptibles il être réduits en vapeur. Pour Les autres, on est obligé de recourir h I interprétation de leurs propriétés physiques ou chimiques, telles que La chaleur spécifique.

(11 On semble préférer aujourd'hui La valeur .

ir plus loin la modification apportée à cette manière de faire depuis la constitution •mraission internationale itomique».

I>OIDS ATO.MIgl ES 403

En effet, Dulong el Petit ont établi par l'expérience cette loi fondamentale, que la chaleur spécifique des corps simples solides, c'est-à-dire la chaleur qu'il faut communiquer à l'unité de poids de ces corps, pour élever leur température d'un degré, est en raison inverse du poids atomique, de telle sorte <juc le produit de la chaleur spécifique par le poids atomique, produit (pion nomme la chaleur atomique, est un nombre constant.

Il résulte de là que les atomes simples, quelle que soit leur nature, ont exactement la même capacité pour la chaleur, propriété bien remarquable et du même ordre que celle qui assigne aux molécules gazeuses un volume indépendant de leur espèce.

Le produit moyen des chaleurs spécifiques par les poids atomiques rigoureu- Bemenl déterminés étant égal à 6,4, ce nombre, appelé chaleur atomique, peut servir à calculer le poids atomique des corps dont la densité de vapeur est inconnue, mais dont on a pu mesurer la chaleur spécifique dans les limites de température où celle chaleur se maintient constante).

D'autre part, Raoult a démontré que, dans les dissolutions moyennement concentrées des composés salins par une quantité constante d'un môme dissolvant susceptible d'être solidifié, l'abaissement du point de congélation de ce dernier est proportionnel au poids moléculaire des corps dissous.

Enfin une autre ressource consiste à faire intervenir la considération de l'isomorphisme, les corps isomorphes ayant en général le même volume moléculaire.

Tableau des poids atomiques. — Le tableau de la page ',04 fait connaître la série des symboles et des poids atomiques des corps simples connus. Dans les éditions précédentes, et conformément h la tradition jusqu'alors suivie par tous les chimistes, les poids atomiques se trouvaient évalués en fonction de celui de l'hydrogène, pris pour unité. Depuis quelques années, il a été constitué, en vue de cette détermination, une commission internationale, qui a dû tout d'abord prendre acte de ce fait, que le rapport du poids atomique de l'oxygène à celui de l'hydrogène, longtemps admis comme rigoureusement égal à 16, était en réalité légèrement plus faible.

Fallait-il alors, gardant le poids de l'hydrogène pour unité, modifier en conséquence tous les chiffres jusqu'alors acceptés ? 11 a paru préférable de s'en tenir à 16 pour le poids atomique de l'oxygène, d'abord dans l'espérance de conserver une plus grande quantité de nombres simples, ensuite parce que le passage du poids atomique de l'oxygène à celui des autres corps est beaucoup plus direct et comporte moins de causes d'erreur que quand on part de 1 hydrogène. Dans ce cas, le poids atomique de l'hydrogène serait de 1,008 au lieu de 1. Quant à 16, poids atomique de l'oxygène, il avait été calculé en prenant la moitié du poids moléculaire ^2, dans l'hypothèse où l'unité des poids moléculaires eût été le poids de 2 grammes d'hydrogène, lesquels, à zéro et sous la pression normale, correspondaient à 22 litres et 2', centièmes. 16 repré-

GÉNÉRALITÉS SUR LES ESPÈCES Tableau des poids atomiques des corps simples.

Aluminium

Antimoine

Argent • •

Argon

Arsenic

Azote ou Nitrogène. . ,

Baryum

Bismuth

Bore

Brome

Cadmium

Ctesium

Calcium. ...•••

Carbone

Cerium

Chlore

Chrome

Cobalt

Cuivre

Dysprosium

Étain

Europium

Il T

Fluor

Cadolinium

Gallium

Germanium

<;iu< inium ou Berylliu

Belium

Hydrogène

[ndium

[ode

Iridium

Krypton

Lanthane

Lithium

Magnésium ....

^anèse

Mei cure

Ag Ar

As Az, N Ba Bi B Br Gd Cs Ca

Fe F, FI

Cl, Be He In

!i- Ki- La

1 p0oa

Molybdène

Néodyme.

Néon

Nickel

Niobium ou Columbium,

Osmium

Oxygène

Palladium

Phosphore

Platine .......

Plomb

Potassium

Praséodvme

Radium

Rhodium

Rubidium

Ruthénium

Samarium

Scandium

Sélénium

Silicium

Sodium

Soufre

Strontium

Tantale

Tellure

Terbium

Thallium

Thorium

Titane

Tungstène

Uranium

Vanadium

Yiterbium

Vl I ri 11 m

Zinc . .

Zirconium

Mo Nd Ne Ni Nb, Cl.

Au Os Pd P Pt Pb K Pr Ba Rh Bb Ru Sa Se Se Si Na S Sr Ta Te Tb Tl Tb Ti W