« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » C’est probablement la citation la plus connue de Lavoisier. Et à bon droit. C’est la meilleure introduction à la loi de Lavoisier qui stipule, pour résumer grossièrement, que la masse totale d’un élément se conserve pendant toute réaction chimique [1].
Cette loi n’a rien d’intuitif, j’en conviens : une bûche d’un kilo qui brûle ne pèse plus que quelques grammes de cendres à l’arrivée, il semble qu’elle a perdu une bonne partie de la masse. Mais cette masse n’a pas disparu, elle s’est transformée en oxygène et en gaz. Et si l’on pouvait peser ces éléments, ils complèteraient la masse des cendres. Vous retrouveriez exactement la masse de départ.
Il n’y a plus qu’à tirer le fil avec d’autres exemples du quotidien, pour se familiariser enfin avec une des lois fondatrices de notre modernité scientifique.
Aux origines de la loi de Lavoisier : le pélican
L’histoire des sciences aime les objets. Newton a sa pomme, Archimède sa baignoire, et Lavoisier son pélican. Non pas l’animal au double-menton légendaire, mais un vase en verre hermétique qui lui a permis d’aboutir à sa loi. Concrètement, Lavoisier a réfuté la thèse d’un certain Van Helmont, pour qui l’eau pouvait se changer en terre. Vers 1620, ce médecin flamand avait arrosé un saule pendant cinq ans dans un pot de terre. L’arbre avait énormément grossi alors que la terre avait à peine perdu de poids, et Van Helmont en avait conclu que l’eau s’était transformée en terre pour fabriquer l’arbre. En 1768, Lavoisier a tranché avec une balance. Il a scellé de l’eau dans un vase en verre, a pesé le tout, puis a chauffé pendant cent jours. Le poids total n’avait pas bougé, et la terre au fond pesait exactement autant que le verre avait perdu. Elle venait du verre, pas de l’eau. Rien ne s’était créé, rien ne s’était perdu : la loi de Lavoisier est née de cette pesée.
La loi de Lavoisier sans jargon
La loi de Lavoisier, ou loi de conservation de la masse, affirme que la masse totale des réactifs est égale à celle des produits. Les réactifs sont les ingrédients de départ, les produits ce qu’on obtient à l’arrivée. Une recette de cuisine, en somme, sauf que personne ne mange le résultat.
Si l’on mélange deux substances dans un récipient fermé, elles réagissent, changent de couleur, chauffent, moussent, font ce qu’elles veulent. Une pesée avant et une pesée après donnent le même chiffre, alors que le contenu n’a plus du tout la même allure.
Une substance semble disparaître quand elle devient un gaz, une autre s’alourdit quand elle capte des éléments de l’air. Dans les deux cas, la masse totale reste la même une fois tout compté.
Et la fameuse citation ?
L’idée remonte à l’Antiquité, Lucrèce lui consacre déjà des vers. La phrase « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » est un résumé postérieur de la pensée de Lavoisier. Dans son Traité élémentaire de chimie (1789), au chapitre sur la fermentation du vin, on trouve le passage le plus proche.
« Rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature […] dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération. »
Antoine Lavoisier, Traité élémentaire de chimie, 1789
Difficile à faire tenir sur un tote bag 
La loi de Lavoisier et l’exemple des Lego
Si vous démontez une maison en Lego pour construire un bateau avec les mêmes briques, vous aurez changé la construction, mais pas le nombre de briques.
En chimie, les briques sont les atomes. Pendant une réaction, ils quittent leurs molécules d’origine et se rassemblent autrement pour former de nouvelles substances. Quand du carbone réagit avec de l’oxygène, il donne du dioxyde de carbone (CO₂). Les atomes de carbone et d’oxygène d’avant sont les mêmes que ceux d’après, assemblés autrement.
Dans une réaction chimique ordinaire, les atomes gardent leur identité et changent seulement de partenaires, ce qui explique que la masse totale ne bouge pas.
Notez bien ceci : Lavoisier a établi sa loi par l’expérience, bien avant l’existence d’une théorie atomique, qui arrive au début du XIXᵉ siècle avec le Britannique John Dalton. C’est souvent le cas en science, l’observation précède l’explication.
Trois autres exemples pour comprendre la conservation de la masse
Le bois qui brûle
Nous l’avons vu en introduction : un bois carbonisé n’est plus que cendres, mais l’essentiel du bois a réagi avec l’oxygène de l’air et s’est transformé en dioxyde de carbone, en vapeur d’eau et en d’autres gaz, qui filent dans l’atmosphère. Si on pouvait mettre une balance sous le feu, on raterait le poids des gaz qui se sont envolés et de l’oxygène qui a été consommé. Si on pouvait mesurer l’ensemble, on retrouverait la masse de départ.
Je trouve cette idée super-stimulante, ne serait-ce que sous forme de métaphore : rien ne « disparaît » ici-bas, ni notre énergie, ni nos émotions, ni même nos souvenirs. Par exemple, je peux me croire vidée de mon énergie alors que celle-ci est toujours bien là, à me protéger d’une activité potentiellement épuisante…
Le fer qui rouille
Un vieux vélo oublié sous la pluie, une grille de jardin gangrennée de rouille… Vous avez sûrement déjà vu ces taches rouge-brun sur le fer. Elles se forment lorsque le métal réagit avec l’oxygène de l’air en présence d’eau. Et bien si vous mesurez le métal avant et après la rouille, vous constaté que l’oxygène augmente la masse du métal en se combinant avec lui. C’est l’inverse du bois qui brûle.
Perte de poids : où va la graisse ?
Tenez-vous bien ! J’ai moi-même été surprise d’apprendre il y a quelques années que le gras que nous perdons part en grande partie avec l’air que nous expirons.
Concrètement : le corps casse les molécules de nos réserves de graisse pour produire de l’énergie, et c’est pourquoi les atomes repartent par la respiration. On doit les proportions exactes au physicien Ruben Meerman et au biochimiste Andrew Brown, qui les ont calculées en 2014. D’après leur étude, nous expulsons 84 % de la graisse oxydée sous forme de dioxyde de carbone et environ 16 % sous forme d’eau.
Attention, souffler comme Obélix ne sert pas à grand-chose 
: l’évacuation du carbone n’intervient qu’à la fin de tout un processus qui tient compte de notre métabolisme et du bilan énergétique. L’idée est ici de montrer que les échanges de matière sont parfois indécelables.
Comment Lavoisier a-til prouvé sa loi ?
Au XVIIIᵉ siècle, on sait déjà que les métaux rouillent, que les choses brûlent, que certains mélanges dégagent des gaz. Reste à comprendre pourquoi.
À l’époque, on explique les phénomènes par le phlogistique (what else 
?). Selon cette théorie, les corps combustibles contiennent du phlogiston, une substance qui s’échappe lorsqu’ils brûlent [2]. Mais pourquoi un métal chauffé à l’air devient-il plus lourd alors qu’il est censé perdre cette matière ?
Lavoisier s’attaque au problème en comparant le poids du mercure dans son récipient avant et après avoir chauffé le métal. Il constate que le mercure devient plus lourd et que, en parallèle, une partie de l’air a disparu. Pour être précis, un sixième de l’air s’est volatilisé et le métal s’est couvert d’une poudre rouge. Bref, brûler ou rouiller, même combat : il s’agit de se combiner avec une partie de l’air. Et Lavoisier baptise cet air « oxygène » [x].
Loi de Lavoisier : un exemple de formule
Prenons la combustion du méthane, le gaz utilisé pour le chauffage et la cuisson. Sa formule est CH₄ : elle indique qu’une molécule de méthane contient un atome de carbone (C) et quatre atomes d’hydrogène (H).
Lorsque le méthane brûle, il méthane réagit avec le dioxygène (O₂) et forme du dioxyde de carbone (CO₂) et de l’eau (H₂O).
Voici l’équation chimique (sans entrer dans les détails ni les étapes de la réaction) :
CH₄ + 2 O₂ —> CO₂ + 2 H₂O
Vous l’avez sans doute compris, chaque atome a une masse. En chiffres arrondis, un atome de carbone pèse 12 unités, un atome d’hydrogène 1 unité et un atome d’oxygène 16 unités. Une molécule de méthane pèse 16 unités, une de dioxygène 32, une de dioxyde de carbone 44 et une d’eau 18. Avant la réaction, 16 + 2 × 32 font 80. Après, 44 + 2 × 18 font aussi 80.
En plus clair, les atomes se réorganisent sans qu’aucun disparaisse, et la masse totale reste la même. 80 g avant la réaction, 80 g après.
Et le tableau périodique des éléments, dans tout ça ?
Depuis l’Antiquité, les savants pensaient que l’univers était composé de quatre éléments : l’eau, l’air, la terre et le feu. En 1661, un aristocrate fortuné, curieux jusqu’à l’obsession, du nom de Robert Boyle propose une nouvelle définition des éléments : des matières simples, indivisibles, qui seraient, en quelque sorte, le stade ultime de la décomposition.
Lavoisier s’empare de l’idée et de sa balance. Quelles matières pourrait-on qualifier de véritables éléments ? Pour le savoir, il chauffe des substances et les pèse avant et après (vous commencez à connaître le protocole). Et il constate que certaines gagnent du poids pour la simple raison qu’elles absorbent une partie de l’air. Il comprend de ce fait que l’air participe aux réactions chimiques et que ce n’est pas parce qu’on ne la voit plus que la matière disparaît.
En 1789, date symbolique entre toutes, il publie une liste de 33 éléments, dont l’oxygène, le fer, l’or et le soufre. Tous ne sont pas des éléments tels qu’on les entends aujourd’hui, mais sa liste tourne définitivement la page des quatre éléments de l’Antiquité.
En 1869, le célèbre chimiste russe Dmitri Mendeleïev, fabricant de valises à ses heures perdues [4], organisera les éléments identifiés à l’époque :
- en les classant du plus léger au plus lourd ;
- en rapprochant ceux qui se comportent de la même façon ;
- en laissant des cases vides pour les éléments qu’il pense encore à découvrir.
Son classement a été corrigé depuis, mais c’est une autre histoire (passionnante) que je réserve pour un prochain article !
Qui était Antoine Lavoisier ?
Il naît à Paris en 1743, dans une famille aisée. Il étudie les sciences et devient fermier général, c’est-à-dire qu’il collecte certains impôts pour le compte de la monarchie. Ce métier rapporte beaucoup, et il en investit une partie dans ses recherches.
Il travaille avec sa femme, Marie-Anne Paulze, qui dessine les appareils, traduit des textes scientifiques anglais et consigne les expériences.
Son Traité élémentaire de chimie (1789) réorganise les connaissances sur les substances et propose un vocabulaire plus rigoureux, celui qu’on utilise encore.
Il s’est aussi trompé, ce qui a quelque chose de rassurant. Il pensait que l’oxygène entrait dans la composition de tous les acides (le mot signifie d’ailleurs « qui engendre les acides »). Sa liste de substances simples comprenait aussi la lumière et le calorique, un fluide imaginaire censé transporter la chaleur. Quand de nouvelles expériences contredisent une explication, on la corrige, et c’est tout l’intérêt de la méthode.
La Révolution interrompt son travail. À cause de son rôle de fermier général, il est arrêté puis guillotiné le 8 mai 1794, à 50 ans, avec 27 autres fermiers généraux. On prête au mathématicien Lagrange une phrase restée célèbre sur cette exécution, selon laquelle il a fallu un instant pour faire tomber cette tête alors qu’un siècle ne suffirait peut-être pas à en produire une pareille.
Il laisse surtout l’habitude de mesurer et de vérifier par l’expérience, que les chimistes pratiquent toujours.
Sources et références
