HISTOIRE DE LA CHIMIE Chimie, science qui étudie la matière et
publicité
HISTOIRE DE LA CHIMIE Chimie, science qui étudie la matière et ses transformations. Historique Les premiers procédés «!chimiques!» connus furent inventés par les artisans de Mésopotamie, d'Égypte et de Chine. Les Anciens travaillaient les métaux, comme l'or ou le cuivre, à l'état natif!; ils savaient fondre quelques minerais métalliques (essentiellement des oxydes et des sulfures) en les chauffant au feu de bois afin d'en extraire les métaux!; ils avaient fortuitement découvert le verre. «!Physique!» grecque Les quatre éléments naturels Vers 600 av. J.-C., le philosophe grec Thalès supposa que l'eau était le principe de toute chose. Son élève Anaximandre formula une théorie selon laquelle les choses proviendraient de l'infini, vers lequel elles retourneraient sous l'effet de la corruption. Anaximène considérait l'air comme l'élément fondamental. Pour expliquer comment se constituent les solides à partir de l'air, le philosophe introduisit les notions de condensation et de raréfaction. Ainsi, l'air, invisible en soi, se condenserait sous l'effet de basses températures et produirait ainsi l'eau, la terre et la matière solide en général!; en se raréfiant sous l'effet de la chaleur, il donnerait naissance au feu. Selon Empédocle, philosophe grec du V e siècle av. J.-C., le monde serait constitué de quatre éléments : la terre, l'eau, l'air et le feu. Mus par la force de l'amour, ils s'uniraient et se sépareraient sous l'impulsion de la haine. Anaxagore était convaincu que la matière était constituée d'un nombre infini d'éléments indivisibles, dont le mélange, réalisé par l'opération de l'intelligence éternelle, conduirait aux choses. La théorie atomiste : Leucippe aurait fondé la théorie atomiste. Selon celle-ci, la matière résulterait d'une composition particulière des atomes (du grec atomos, «!indivisible!»), particules minuscules, identiques et indivisibles. Son élève Démocrite interpréta cette théorie en affirmant que les choses, complexes d'atomes, se différenciaient par leurs qualités premières, objectives (étendue, densité, inertie, dureté) et secondes, subjectives (les choses «!émettraient!» des simulacres qui, en atteignant l'observateur, donneraient lieu à leur perception). Cette théorie atomiste préfigure les principes modernes de la conservation de l'énergie et de l'irréductibilité de la matière. D'après d'autres philosophes, en particulier Aristote, les éléments formeraient une masse continue, ce qui exclut l'existence du vide. En revanche, pour Épicure, la matière serait constituée de corps — agrégats d'atomes — et de vides en quantité illimitée. Les atomes, divisibles mathématiquement mais pas physiquement, seraient caractérisés par leur masse, leur taille et leur forme. La théorie atomiste fut ensuite délaissée par les Grecs, mais ne fut jamais totalement oubliée. Rétablie pendant la Renaissance, elle constitua la base de la théorie atomique moderne. Aristote devint le plus influent des philosophes grecs et ses concepts dominèrent la philosophie naturaliste pendant presque deux millénaires après sa mort, en 322 av. J.-C. Selon lui, on trouverait quatre qualités dans la nature : la chaleur, le froid, l'humidité et la sécheresse. Les quatre éléments (terre, eau, air et feu, auxquels il avait ajouté un cinquième élément, plus volatil que le feu, l'éther, appelé également cinquième essence) auraient chacun deux de ces qualités. Par exemple, le feu serait chaud et sec, l'eau froide et humide, l'air chaud et humide, et la terre froide et sèche. Ces éléments et leurs propriétés se combineraient dans différentes proportions pour former les constituants de la Terre. Comme on peut modifier l'importance de chaque propriété dans un élément, ces derniers devraient pouvoir être transformés l'un en l'autre. Ainsi, le plomb pourrait être transmuté en or. Alchimie La transmutation des métaux : En Égypte, la théorie d'Aristote fut admise par les artisans, en particulier à Alexandrie, qui devint, après 300 av. J.-C., le centre intellectuel du monde antique. Selon les artisans, les métaux terrestres tendraient à devenir de plus en plus parfaits et à être ainsi progressivement transformés en or, et ils pensaient pouvoir effectuer plus rapidement cette opération dans leurs propres ateliers et transmuter ainsi les métaux courants en or, métal inaltérable par l'air, l'eau ou les acides. Cette idée apparut en l'an 100 apr. J.-C. et domina la pensée philosophique. Un grand nombre de traités furent publiés sur l'art de la transmutation, ou alchimie. Bien que personne ne réussît à fabriquer de l'or, la recherche du perfectionnement des métaux permit de découvrir certains procédés chimiques. À la même époque en Chine, une alchimie similaire vit le jour. Le but était également de fabriquer de l'or, même si ce n'était pas pour la valeur monétaire du métal. Les Chinois croyaient en effet que l'or était un remède qui pouvait conférer une longue vie et même l'immortalité à quiconque en consommait. De la même façon que les Égyptiens, ils acquirent des connaissances chimiques pratiques à partir de théories sans validité éprouvée. Après le déclin de l'Empire romain, les écrits grecs furent moins ouvertement étudiés en Occident, et furent même largement négligés à l'est de la Méditerrannée. Cependant, au VIe siècle, une secte de chrétiens, les nestoriens, étendirent leur influence en Asie Mineure. Ils créèrent une université à Édesse, en Mésopotamie, et traduisirent un grand nombre d'ouvrages philosophiques et médicaux grecs en syriaque. Aux VIIe et VIIIe siècles, les conquérants arabes propagèrent la culture islamique dans une grande partie de l'Asie Mineure, en Afrique du Nord et en Espagne. Les califes de Bagdad devinrent des mécènes actifs de la science et de l'enseignement. Les versions syriaques des textes grecs furent à nouveau traduites, cette fois en arabe, et, avec l'enseignement du grec, les idées et la pratique de l'alchimie fleurirent une nouvelle fois. Les alchimistes arabes, également en contact avec la Chine de l'Est, connaissaient l'or comme remède et partageaient l'idée grecque de la perfection de ce métal. On pensait qu'un agent spécifique, la pierre philosophale, favorisait la transmutation, laquelle devint l'objet de la recherche alchimique. Les alchimistes avaient maintenant une motivation supplémentaire pour étudier les procédés chimiques, car ces derniers pouvaient non seulement mener à la richesse, mais également améliorer la santé. L'étude des produits et des appareillages utilisés en chimie fit un réel progrès. Ainsi, on découvrit des réactifs importants, tels que les alcalis caustiques et les sels d'ammonium !; l'appareillage de distillation fut régulièrement amélioré. La diffusion des connaissances : Au XIe siècle, l'Occident connut une importante renaissance intellectuelle, qui fut en particulier favorisée par les échanges culturels entre les savants arabes et occidentaux, en Sicile et en Espagne. Des écoles de traducteurs furent fondées!; elles contribuèrent à la transmission des concepts philosophiques et scientifiques arabes aux érudits européens. Ainsi, les savoirs de la science grecque furent d'abord traduits en syriaque et en arabe, puis en latin, et les écrits parvinrent finalement dans toutes les parties d'Europe. Parmi les manuscrits les plus lus, une grande partie concernait l'alchimie. On peut classer ces manuscrits en deux catégories : certains étaient pratiques!; d'autres tentaient d'appliquer les théories de la nature de la matière aux problèmes alchimiques. La distillation était l'un des sujets pratiques traités. La fabrication du verre ayant été largement améliorée, en particulier à Venise, on pouvait alors construire un appareil de distillation plus efficace que celui qui avait été réalisé par les Arabes. En conséquence, on pouvait condenser les produits les plus volatils de la distillation. Parmi les produits importants obtenus de cette façon figuraient l'alcool et des acides minéraux tels l'acide nitrique, l'eau régale (mélange d'acides nitrique et chlorhydrique, qui rend l'or soluble), l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique. Ces réactifs purent intervenir dans un grand nombre de réactions nouvelles. Les Arabes transmirent le mode de fabrication de la poudre à canon à l'Occident. À l'origine, les Chinois utilisaient cette poudre pour les feux d'artifice, mais, en Occident, elle devint rapidement l'un des principaux outils guerriers. À la fin du XIIIe siècle, une technologie chimique efficace fut développée en Europe. Les autres manuscrits d'alchimie transmis par les Arabes étaient essentiellement théoriques. Un grand nombre d'entre eux présentaient un caractère mystique, contribuant peu au progrès de la chimie. D'autres tentaient d'expliquer la transmutation en termes physiques. Les Arabes avaient fondé leurs théories de la matière sur les idées d'Aristote, mais leur réflexion tendait vers une plus grande précision, en particulier dans la composition des métaux. D'après eux, les métaux étaient constitués de soufre et de mercure, non pas les substances familières qu'ils connaissaient parfaitement, mais plutôt le «!principe!» du mercure, qui conférait aux métaux un caractère fluide!; et le «!principe!» du soufre, qui rendait les substances combustibles et les métaux corrodables. Les réactions chimiques s'expliquaient par des variations de quantités de ces principes dans la matière. Au cours des XIIIe et XIV e siècles, l'influence d'Aristote déclina dans tous les domaines de la pensée scientifique. L'observation de la fusion de la matière fit douter des explications du philosophe. Au Japon, les techniques de la trempe avaient été perfectionnées jusqu'au XVe siècle, et des armes blanches (en particulier des sabres et des épées) d'une qualité exceptionnelle, grâce à des procédés aujourd'hui oubliés ou désormais inapplicables, avaient été fabriquées par des moines-forgerons au service de seigneurs. Après 1500, les ouvrages d'alchimie étaient apparus en nombre croissant, commme ceux concernant la technologie. Le résultat de ces connaissances et de leur transmission fut flagrant au XVIe siècle. l'avènement des méthodes quantitatives : Parmi les ouvrages les plus influents du XVIe siècle, on trouve des études pratiques sur l'exploitation minière et la métallurgie. Ces traités s'intéressaient en particulier aux minerais pour leur contenu en métaux de valeur, évaluation qui nécessitait l'usage d'une balance de laboratoire, ou cadran gradué, et le développement de méthodes quantitatives. Dans les autres domaines, les savants, en particulier en médecine, commençaient à reconnaître la nécessité d'une plus grande précision dans la mesure et dans les procédés de séparation des substances, notamment en vue de la production de remèdes. Ces méthodes furent largement développées par le médecin suisse Paracelse. Issu d'une région minière, il s'était familiarisé avec les propriétés des métaux et leurs composés, qu'il croyait plus efficaces que les remèdes à base de plantes utilisés par les médecins orthodoxes. Pendant la majeure partie de sa vie, il fut impliqué dans de violentes querelles avec le pouvoir médical de l'époque, et il fonda la science de l'iatrochimie (usage de médicaments chimiques), précurseur de la pharmacologie. Paracelse et ses successeurs découvrirent un grand nombre de composés et de réactions chimiques. À l'ancienne théorie des principes du soufre et du mercure concernant la composition des métaux, il ajouta un troisième constituant, le sel, partie terrestre de tout composé. D'après Paracelse, lorsque le bois brûle, «!l'élément qui brûle est le soufre, celui qui s'évapore est le mercure et celui qui se transforme en cendres est le sel!». Son insistance sur le soufre combustible fut déterminante pour le développement ultérieur de la chimie. Les iatrochimistes qui suivirent Paracelse se démarquèrent de certaines de ses idées les plus fantaisistes, mais ils associèrent ses recettes et les leurs pour préparer des remèdes chimiques. Enfin, à la fin du XVIe siècle, André Libavius publia une classification des connaissances iatrochimiques dans son Alchimie, ouvrage fréquemment considéré comme le premier manuel de chimie. Naissance de la chimie moderne : Dans la première moitié du XVIIe siècle, certains scientifiques se mirent à étudier expérimentalement les réactions chimiques, non pas parce qu'elles étaient utiles pour d'autres disciplines, mais plutôt pour leur intérêt propre. Le Flamand Jan Baptist Van Helmont, médecin qui délaissa la pratique médicale pour se consacrer à l'étude de la chimie, utilisa une balance pour montrer qu'une quantité définie de sable pouvait être fondue en présence d'une base pour former le gaz à l'eau, et que ce produit, traité par de l'acide, régénérait la quantité originelle de sable (silice). Ainsi apparurent les prémisses des fondements du principe de conservation de la masse. Van Helmont découvrit également que, dans un certain nombre de réactions, un fluide aérien (le gaz carbonique) était libéré. Il appela cette substance «!gaz!». L'existence d'un nouveau groupe de substances avec ses propres propriétés physiques venait d'être démontrée. C'est encore à lui que l'on doit l'invention du thermomètre. Théorie cinétique des gaz : Au XVIe siècle, on avait découvert comment créer un vide, ce qu'Aristote avait déclaré impossible. Cela attira l'attention sur l'ancienne théorie de Démocrite, qui avait supposé que les atomes se déplaçaient dans le vide. René Descartes et ses successeurs introduisirent un concept mécanique de la matière selon lequel la taille, la forme et le mouvement des particules expliquaient tous les phénomènes observés. À cette époque, la plupart des philosophes naturalistes et des iatrochimistes supposaient que les gaz n'avaient pas de propriétés chimiques!; leur attention était donc focalisée sur le comportement physique de ces derniers. Une théorie cinétique moléculaire des gaz prit ainsi forme. Dans ce cadre, remarquables furent les expériences de Robert Boyle, dont les études sur l'élasticité de l'air conduisirent à la loi qui porte son nom. Selon celle-ci, à température constante, le volume d'un gaz est inversement proportionnel aux pressions auxquelles il est soumis. C'est à Boyle que l'on doit également la découverte du rôle de l'oxygène dans les combustions!; il contribua à la définition de l'élément chimique fournie plus tard par le Français Lavoisier. Le phlogistique : Pendant que de nombreux philosophes spéculaient sur les lois mathématiques, des savants tentaient d'expliquer au moyen de théories les réactions chimiques qu'ils observaient. Les iatrochimistes prêtèrent une attention particulière au soufre et aux théories de Paracelse. Dans la seconde moitié du XVIIe siècle, le médecin, économiste et chimiste allemand Johann Joachim Becher bâtit un système chimique autour de ce principe. Il remarqua que, lorsque la matière organique brûlait, une substance volatile se vaporisait. Son disciple Georg Ernst Stahl en fit le fondement d'une théorie qui survécut dans les cercles chimiques pendant près d'un siècle, l'hypothèse du phlogistique. Stahl supposait que, lorsqu'une substance brûlait, sa partie combustible se dégageait dans l'air. Il appela cette partie le phlogistique, du mot grec signifiant «!inflammable!». Selon Stahl, la corrosion des métaux était analogue à la combustion et impliquait donc la perte du phlogistique. Les plantes absorbaient le phlogistique de l'air et étaient donc riches en phlogistique. Chauffer la chaux ou des oxydes métalliques au feu de bois leur redonnait le phlogistique. Par conséquent, la chaux était un élément et le métal un composé. Cette théorie allait à l'encontre de la conception actuelle de l'oxydoréduction, mais impliquait la mutation cyclique d'une substance — quand bien même dans la mauvaise direction —, et certains phénomènes observés pouvaient s'expliquer par cette mutation. Cependant, des études récentes en histoire de la chimie montrent que l'hypothèse du phlogistique n'avait qu'une influence mineure parmi les chimistes, jusqu'à ce qu'elle fût réfutée par Lavoisier, dans le dernier quart du XVIIIe siècle. Approche scientifique : Au XVIIIe siècle, une nouvelle observation fit progresser la compréhension de la chimie : les scientifiques constatèrent que certaines substances se combinaient plus facilement que d'autres, ou avaient une plus ou moins grande affinité pour un produit donné. Des tables détaillées furent établies pour montrer les affinités relatives des composés lors de leur mélange. L'étude et l'usage de ces tables rendirent possible la prédiction de nombreuses réactions chimiques avant leur réalisation en laboratoire. La chimie analytique : Cela conduisit à la découverte de nouveaux métaux, de leurs composés et de leurs caractéristiques. Les méthodes analytiques qualitatives et quantitatives se développèrent : la science de la chimie analytique était née. Néanmoins, aussi longtemps que le rôle des gaz ne fut pas estimé autrement qu'en physique, la dimension de la chimie ne put être pleinement reconnue. L'étude chimique des gaz L'étude chimique des gaz, en général appelés airs, prit son essor au début du XVIIIe siècle, lorsque le naturaliste britannique Stephen Hales mit au point le principe de la cuve à eau, qui lui permit de récupérer les gaz émis par de nombreuses substances chauffées et de mesurer le volume de ces gaz. La cuve à eau devint un dispositif précieux pour la collecte et l'étude des gaz, domaine qui progressa rapidement et conduisit à un nouveau niveau de compréhension des gaz. Travaux de Joseph Black : En 1756, à Édimbourg, le chimiste britannique Joseph Black publia ses études sur les réactions des carbonates de magnésium et de calcium : chauffés, ces composés dégageaient un gaz et laissaient un résidu, la «!magnésie calcinée!», ou chaux. Cette dernière réagissait avec l'«!alcali!» (carbonate de sodium) pour régénérer les sels originaux. Ainsi, le dioxyde de carbone, que Black appelait «!air fixe!», jouait un rôle dans certaines transformations. L'idée qu'un gaz ne pouvait pas intervenir dans une réaction chimique était définitivement ébranlée, et déj à quelques gaz étaient reconnus comme composés à part entière. Travaux de Priestley Le physicien britannique Henry Cavendish isola l'«!air inflammable!» (hydrogène) en 1766. Il introduisit également l'usage du mercure à la place de l'eau comme liquide de confinement, au-dessus duquel les gaz étaient recueillis, rendant possible la récupération des gaz solubles dans l'eau. Cette variante fut largement utilisée par Joseph Priestley, qui recueillit et étudia une douzaine de gaz nouveaux. La plus importante découverte de Priestley fut celle d'un gaz que Lavoisier nommera plus tard oxygène, et il se rendit rapidement compte que ce gaz était un constituant de l'air, responsable de la combustion et rendant possible la respiration des animaux. Il remarqua que, immergées dans ce gaz, les substances combustibles brûlaient plus facilement et que les métaux formaient plus facilement des chaux, puisqu'ils étaient dépourvus de phlogistique. Par conséquent, ce gaz acceptait le phlogistique présent dans la substance combustible ou le métal plus facilement que l'air ordinaire, en partie constitué de phlogistique. Priestley dénomma ce gaz «!air déphlogistiqué!» et prôna sa théorie jusqu'à la fin de sa vie. Travaux de Lavoisier : Pendant ce temps, la chimie avait fait des progrès rapides en France, en particulier dans le laboratoire de Lavoisier, qui était troublé par l'observation suivante : les métaux chauffés dans l'air gagnaient du poids, alors qu'ils étaient supposés perdre du phlogistique. En 1774, Priestley fit part à Lavoisier de sa découverte de l'air déphlogistiqué, que le Français nomma oxygène, ouvrant ainsi la voie à l'avènement de la chimie moderne. Lavoisier fut l'un des premiers à réaliser des expériences rigoureuses et réellement quantitatives. Il démontra ainsi que l'air contient environ 20 p. 100 d'oxygène et que la combustion s'explique par la combinaison d'une substance combustible avec cet élément. Lorsque le carbone est calciné, de l'«!air fixe!» (dioxyde de carbone) est produit. En conséquence, le phlogistique n'existe pas. La théorie du phlogistique fut bientôt supplantée par la conception suivante : lors de la combustion d'une substance, l'oxygène de l'air se combine avec les constituants du combustible pour former des oxydes de ces éléments ou composés. Lavoisier utilisa la balance de laboratoire pour donner un support quantitatif à ses travaux. Il donna également la définition actuelle de l'élément chimique, substance qui ne peut être décomposée par des moyens chimiques. Il put ainsi établir le principe de conservation de la masse, ou de la matière. Avec, entre autres, Claude Louis Berthollet, Lavoisier remplaça l'ancien système des noms chimiques (encore fondé sur l'usage alchimique) par la nomenclature rationnelle utilisée de nos jours, et participa à la fondation de la première revue de chimie. Après sa mort, en 1794, ses confrères poursuivirent son œ u vre et la chimie acquit alors son statut de science. Par exemple, Jöns Jakob Berzelius proposa de noter les éléments par des symboles, correspondant aux initiales ou aux deux premières lettres de leurs noms. On lui doit aussi d'avoir isolé le sélénium, ainsi que d'importantes études dans les domaines de la catalyse et de l'isomérie. Essor de la chimie Les lois sur les gaz : En 1804, Louis Joseph Gay-Lussac montra que les rapports des volumes des gaz qui réagissent sont de petits nombres entiers : c'est la loi des proportions multiples (qui implique l'interaction des atomes). Sa première loi indique que tous les gaz se dilatent de la même façon, proportionnellement à l'augmentation de la température (à pression constante, cette variation par degré correspond à 1/273 de son volume à 0!°C). D'après la seconde loi, si un gaz est réchauffé tout en maintenant constant son volume, à chaque degré d'augmentation de la température la pression augmente de 1/273 de sa valeur à 0!°C. Gay-Lussac découvrit également le bore, isola le cyanogène et mena des études sur l'iode. Il démontra, avec Thenard, que le chlore est un corps simple. En 1808, John Dalton publia son hypothèse atomique. Il considérait qu'il était possible de déduire les masses relatives des particules ou des atomes du rapport des masses dans les composés. Selon lui, tous les composés étaient «!binaires!» (le rapport du nombre d'atomes des différents éléments étant égal à 1), sauf si des éléments pouvaient former deux composés différents (auquel cas l'un des composés aurait été binaire, l'autre ternaire) ou si les éléments pouvaient former trois composés différents (l'un serait binaire, les deux autres ternaires). De plus, il affirma que les masses relatives (aujourd'hui, on parle de masse atomique) de chaque élément sont différentes — ce qui n'avait jamais été avancé auparavant. Il établit une table des masses relatives à tous les éléments connus à l'époque, en choisissant arbitrairement comme unité de masse celle de l'oxygène. Peu après, le chimiste britannique Wollaston prit la valeur 10 pour l'oxygène. La théorie de Dalton comportait de nombreuses erreurs, mais elle servit de fondement à des hypothèses ultérieures qui allaient révolutionner la chimie théorique. En 1811, Amedeo Avogadro supposa que des volumes égaux de gaz dans les mêmes conditions de température et de pression ont le même nombre de molécules. Il établit une distinction entre molécules et atomes : une mole contient 6,023.1023 molécules (nombre d'Avogadro). En 1836, Thomas Graham démontra que la vitesse de diffusion des gaz est inversement proportionnelle à la racine carrée de leurs densités. Les idées d'Avogadro furent oubliées pendant presque cinquante ans. Pendant ce temps, une grande confusion régna parmi les chimistes dans leurs calculs. Ce fut vers 1860 que Stanislao Cannizzaro réintroduisit les hypothèses d'Avogadro. À cette époque, les chimistes trouvaient plus commode de prendre la masse atomique de l'oxygène, 16, comme la valeur étalon de toutes les masses atomiques des éléments, au lieu de prendre la valeur 1 de l'hydrogène, comme Dalton l'avait préconisé. La masse moléculaire de l'oxygène, 32, fut alors utilisée universellement. Les calculs furent alors standardisés et les formules établies furent écrites. L'électrochimie : Au début du XIX e siècle, la précision en chimie analytique avait énormément progressé. Les chimistes pouvaient ainsi démontrer que les composés simples contiennent des quantités définies de leurs éléments constitutifs. Cependant, dans certains cas, plus d'un composé pouvait être formé avec les mêmes éléments. L'ancien problème de la nature de l'affinité chimique demeurait non résolu. Pendant un temps, la réponse sembla résider dans le nouveau domaine de l'électrochimie. En 1800, l'invention par Alessandro Volta de la pile électrique, première cellule électrique véritable, fournit un nouvel outil aux chimistes et conduisit à la découverte de métaux, tels que le sodium et le potassium. Berzelius supposa que les forces électrostatiques positives et négatives peuvent maintenir les éléments assemblés. Au début, ses théories furent en général admises. Comme les chimistes préparaient et étudiaient surtout de nouveaux composés et des réactions dans lesquelles les forces électriques n'étaient pas impliquées (composés non polaires), le problème de l'affinité fut mis en suspens pour un certain temps. La chimie organique : Au XIX e siècle, les progrès les plus importants en chimie concernèrent la chimie organique, dont on associe l'avènement à Friedrich Wöhler qui, en 1828, réussit à transformer un composé minéral — le cyanate d'ammonium — en une substance organique, l'urée. Dans les années 1850, Marcelin Berthelot remit en cause la théorie communément admise aux XVIIe et XVIIIe siècles, selon laquelle les composés organiques ne pouvaient être créés que par des organismes vivants et sous l'effet d'une «!force vitale!». En 1857, l'Allemand Kekulé établit la théorie de la tétravalence du carbone, ainsi que la structure hexagonale du benzène. Dans la seconde moitié du siècle, le chimiste allemand Viktor Meyer mena d'importantes recherches en chimie organique. L'un des créateurs de la théorie atomique, Charles Adolphe Wurtz, découvrit les amines et le glycol. En 1869, Dimitri Ivanovitch Mendeleïev élabora la classification périodique des éléments chimiques, que nous utilisons encore aujourd'hui. La chimie stucturale, qui décrit la façon dont les atomes sont liés, utilisait sa propre logique. Cela rendit possible la prédiction et la préparation de nombreux composés nouveaux, dont un grand nombre de colorants importants, des médicaments et des explosifs, qui donnèrent naissance aux grandes industries chimiques, en particulier en Allemagne. La radioactivité : À la fin du XIX e siècle, il semblait qu'aucun nouveau domaine important ne restait à développer en chimie et en physique. Cette vue changea radicalement avec la découverte de la radioactivité, en 1896, par Henri Becquerel!; en 1898, Pierre et Marie Curie mirent en évidence des éléments radioactifs naturels : le polonium (Po) et le radium (Ra). Au moyen de méthodes chimiques, on isola de nouveaux éléments comme le radium et on parvint à en séparer les isotopes (notamment grâce aux travaux de Francis Aston, ou même déjà de Joseph John Thomson). On put également synthétiser et isoler de nouveaux éléments transuraniens. Interdisciplinarité de la chimie : Au XIX e siècle, d'autres domaines de la chimie apparurent. Stimulés par les progrès réalisés en physique, des chimistes cherchèrent à appliquer des méthodes mathématiques à leur science. L'étude des vitesses de réaction conduisit au développement des théories cinétiques, appliquées à l'industrie et à la science pure. On reconnut que la chaleur était due à un mouvement de particules à l'échelle atomique, c'est- à-dire à un phénomène cinétique. La chaleur ne fut alors plus considérée comme un composé, ce qui permit l'avènement de la thermodynamique. La poursuite des recherches en électrochimie conduisit le chimiste suédois Svante August Arrhenius à poser comme principe la dissociation des sels en solution qui forment des ions, composés portant des charges électriques. L'étude des spectres d'émission et d'absorption des éléments et des composés devint importante à la fois pour les chimistes et les physiciens, conduisant au développement de la spectroscopie. De plus était apparue la recherche fondamentale en chimie des colloïdes et en photochimie. Au XIX e siècle, les études de ce genre étaient associées à la chimie physique. Les nouvelles théories atomiques : Après les théories de Dalton et de Berzelius, les expériences et les observations de Pierre Louis Dulong et Petit sur la chaleur spécifique des éléments, ainsi que celles de Mitscherlich sur l'isomorphisme, il fallut bien revenir aux hypothèses d'Avogadro et à une plus juste définition de l'atome. Cannizzaro a laissé une définition de l'atome toujours d'actualité : il s'agit de la plus petite quantité d'un élément qui est toujours entière dans la constitution de ses propres molécules et de celles de ses composés. La nouvelle image de la structure réelle des atomes obtenue par les physiciens résolut le vieux problème de l'affinité chimique et expliqua la relation entre les composés polaires et non polaires. En 1902, le chimiste britannique Ernest Rutherford supposa que, à la suite de désintégrations, les éléments radioactifs pouvaient produire de nouveaux éléments. Selon lui, l'atome est constitué d'un noyau de charge positive et d'électrons de charge négative, disposés sur des orbites concentriques, les charges positives étant aussi nombreuses que les charges négatives. Après avoir appliqué les lois de l'électrodynamique, le physicien danois Niels Bohr conclut que, durant son mouvement autour du noyau atomique, l'électron devrait irradier continuellement de l'énergie, ce qui devrait entraîner une diminution du rayon de l'orbite, au point que l'électron atteindrait finalement le noyau. Ainsi, Bohr supposa — en contradiction avec les lois de l'électrodynamique — que l'électron, dans son parcours sur une orbite donnée, n'émettrait ni n'absorberait d'énergie. L'atome présente donc des couches, chacune correspondant à une énergie particulière. Toutefois, si, à la suite d'une excitation externe, l'électron passe d'une couche à une autre plus proche du noyau, l'atome émet de l'énergie!; dans le cas contraire, il y a absorption d'énergie. Celle-ci est émise ou absorbée de façon discontinue, c'est-à-dire par unités discrètes, ou quanta. Ainsi, on ne peut appliquer les lois de l'électrodynamique aux particules subatomiques, mais seulement celles de la mécanique quantique, théorisée par le physicien allemand Max Planck. . La science des matériaux : La science des matériaux, combinaison interdisciplinaire de la physique, de la chimie et de l'ingénierie, pilote la conception et l'élaboration des matériaux, étudie leur structure et leurs propriétés (électriques, magnétiques, mécaniques, thermiques). Au cours du XXe siècle, elle a connu des progrès considérables!; les procédés d'élaboration des matériaux ont considérablement évolué. De nouvelles techniques ont été mises au point, comme le frittage (qui a permis la synthèse des céramiques, composés aux propriétés remarquables) ou l'hypertrempe (qui a conduit à la préparation de matériaux amorphes, c'est- à-dire dont la structure est semblable à celle des verres). On a également élaboré des verres métalliques — matériaux dont la structure est intermédiaire entre celle des verres et celle des métaux — et des verres fluorés, aux applications spécifiques. La recherche sur les macromolécules s'amorça à la fin de la Première Guerre mondiale. On a alors synthétisé de nombreuses matières plastiques, des résines, des élastomères, des matériaux composites. Des progrès considérables ont également été réalisés dans le domaine des semi-conducteurs, aux applications nombreuses et variées, en particulier en électronique. Les techniques d'analyse : La chimie s'est également dotée de techniques d'analyse très performantes, nombreuses et variées : méthodes d'analyse immédiate (centrifugation), techniques d'analyse des constituants d'un mélange (chromatographie), méthodes d'analyse élémentaire (spectrométries d'émission et d'absorption), méthodes d'analyse structurale des molécules (RMN, diffraction des rayons X), techniques de caractérisation des matériaux par bombardement de particules chargées (microscopie électronique), etc. Par exemple, les techniques au laser permettent d'obtenir une photographie instantanée des réactions chimiques en phase gazeuse, toutes les femtosecondes (10-15 s). industrie chimique : L'industrie chimique a pour objet la transformation de composés en produits chimiques qui répondent à un besoin. C'est au début du XIX e siècle qu'elle apparut, avec la carbochimie, chimie industrielle de la houille et de ses dérivés. Le procédé Leblanc, pour la synthèse de la soude, fut mis au point en 1791 et commercialisé en Grande-Bretagne à partir de 1823, pendant la révolution industrielle. C'est l'un des tout premiers procédés à grande échelle. Au début du XXe siècle, l'industrie chimique allemande, bénéficiant d'une longue tradition de recherche, connut un essor rapide, en particulier dans les domaines de la pharmacie, des colorants et des parfums. Ainsi, l'Allemagne acquit une prédominence scientifique jusqu'à la Première Guerre mondiale. À l'issue du conflit, l'industrie chimique se développa dans la plupart des pays. Au début du XXe siècle, de nombreux procédés de synthèse furent mis au point (ammoniac, acide nitrique, Nylon) et industrialisés. En Europe, à partir de 1945, la carbochimie fut progressivement supplantée par la pétrochimie, chimie des dérivés du pétrole. Dans les pays développés, l'industrie chimique connut dans les années 1960-1970 un essor rapide dû à de nombreux efforts de recherche dans les procédés de synthèse et à la découverte de matières premières abondantes et faciles d'utilisation. Parmi les développements les plus récents, les procédés faisant intervenir des enzymes sont en usage croissant, en raison de leurs faibles coûts et de leurs rendements importants. Actuellement, les laboratoires industriels s'attachent aux méthodes utilisant le génie génétique pour faire produire diverses substances par des micro-organismes. La chimie intervient aujourd'hui dans de nombreux secteurs, dont les engrais, les matières plastiques, les verres, les cosmétiques, les parfums, les pigments, les insecticides, les médicaments, les détergents, les intermédiaires de synthèse, les catalyseurs. LA CHIMIE PHYSIQUE Chimie physique, domaine de la chimie qui relie la structure chimique des composés à leurs propriétés physiques. Le terme chimie physique est généralement appliqué à l'étude de propriétés comme la pression de vapeur, la tension de surface, la viscosité, l'indice de réfraction, la densité, ainsi qu'à l'étude des aspects dits classiques du comportement des systèmes chimiques, comme les propriétés thermiques, les équilibres, les vitesses de réaction, les mécanismes de réaction et l'ionisation. Dans ses aspects plus théoriques, la chimie physique tente d'expliquer les propriétés spectrales des composés dans le cadre de la théorie quantique, l'interaction de l'énergie avec la matière, la nature de la liaison chimique, les relations entre le nombre, les états énergétiques des électrons au sein des atomes et des molécules et les propriétés observables des systèmes qui les composent et, enfin, les effets électriques, thermiques et mécaniques des électrons et des protons individuels sur les solides et les liquides. Historique : En tant que domaine d'étude spécialisé, la chimie physique était d'abord consacrée au problème des affinités chimiques, ou encore à la façon dont les composés peuvent réagir les uns avec les autres. La corrosion du fer et non de l'or, le fait que l'oxygène intervienne dans la combustion, et non l'azote, sont des exemples classiques d'étude. XIXe siècle : On a d'abord cru que les réactions rapides étaient celles qui allaient jusqu'à leur terme. Mais on réalisa cependant que le degré d'avancement et la vitesse d'une réaction étaient indépendants. Le degré d'avancement d'une réaction est déterminé par sa constante d'équilibre, concept introduit en 1864 par les chimistes norvégiens Cato Maximilian Guldberg et Peter Waage!; la vitesse d'une réaction dépend entre autres de l'affinité entre les réactifs et de la présence d'un catalyseur. Le chimiste britannique John Dalton proposa sa théorie atomique en 1803. Elle fut confirmée en 1811, lorsque le physicien italien Amédéo Avogadro précisa la différence entre les atomes et les molécules des composés élémentaires. À la même époque, les concepts de chaleur, d'énergie, de travail et de température commencèrent également à être perçus plus précisément. La première loi de la thermodynamique, suivant laquelle la chaleur et le travail sont interchangeables, a été clairement énoncée pour la première fois en 1842 par le physicien allemand Julius Robert von Mayer. La deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle les processus spontanés s'effectuent avec une augmentation du désordre dans un système, a été énoncée vers 1850 par le physicien et mathématicien allemand Emanuel Clausius, et par le mathématicien et physicien britannique William Thomson, devenu par la suite Lord Kelvin. Ces découvertes permirent d'interpréter certaines propriétés des gaz, qui représentent le plus simple état de la matière, en termes de comportement moléculaire. Pendant la période 1860-1875, Clausius, le physicien autrichien Ludwig Boltzmann et le physicien britannique James Clerk Maxwell montrèrent comment rendre compte de la loi des gaz parfaits par une théorie cinétique de la matière. Vers la fin du XVIIIe siècle, le chimiste français Louis Berthollet, qui étudia la vitesse et la réversibilité des réactions, et le physicien anglo-américain Benjamin Thompson, qui tenta de déterminer l'équivalent mécanique de la chaleur, contribuèrent aux progrès de la chimie physique. En 1824, le physicien français Carnot publia ses études sur la relation entre la chaleur et le travail, et devint par là même le fondateur de la thermodynamique moderne. En 1836, le chimiste suédois Jöns Jakob Berzelius établit le rôle des catalyseurs dans la cinétique des réactions chimiques. L'application de la première et de la deuxième loi de la thermodynamique aux substances hétérogènes en 1875, par le physicien et mathématicien américain Josiah Willard Gibbs, ainsi que sa découverte de la règle des phases, jetèrent les bases théoriques de la chimie physique. Le physicochimiste allemand Walther Hermann Nernst qui, en 1906, énonça la troisième loi de la thermodynamique, apporta également une contribution durable aux études des propriétés physiques, des structures moléculaires et des vitesses de réaction. Le physico-chimiste hollandais Jacobus Hendricus Van't Hoff, considéré généralement comme le père de la cinétique chimique, fonda la stéréochimie en 1874 avec ses travaux sur les composés carbonés optiquement actifs et les structures moléculaires asymétriques en trois dimensions. Trois années plus tard, il relia la thermodynamique à la cinétique des réactions et introduisit une méthode pour déterminer l'ordre des réactions. En 1889, le chimiste suédois Svante August Arrhenius étudia l'effet de la température sur la vitesse des réactions : il énonça la théorie de la dissociation électrolytique, ou théorie d'Arrhénius. XXe siècle : Les progrès en cinétique chimique se sont poursuivis au XX e siècle avec des études sur les structures moléculaires, les vitesses de réaction et les réactions en chaîne, par des physico-chimistes comme Irving Langmuir, Jens Anton Christiansen, Michael Polanyi et Nikolay Semenov. En 1923, le chimiste américain Gilbert Newton Lewis approfondit et clarifia les principes de la thermodynamique énoncés par Gibbs. Avec l'émergence de la théorie quantique, la chimie physique prit un tournant décisif dans la première moitié du XX e siècle. En 1897, le physicien allemand Max Planck proposa une quantification de l'énergie de certains systèmes : selon lui, l'énergie se manifeste en quantités finies, ou «!quantifiées!», de la même façon que les niveaux d'énergie dans les atomes. En 1913, le physicien danois Niels Bohr montra comment le concept de quantification pouvait expliquer le spectre de l'atome d'hydrogène. Vers 1930, le physicien autrichien Erwin Schrödinger et le physicien allemand Werner Heisenberg introduisirent la notion de fonction d'onde, expression mathématique incluant la dualité onde-corpuscule des électrons. Domaines de la chimie physique : Les principales subdivisions de la chimie-physique sont : la thermodynamique chimique, la cinétique chimique, la chimie de l'état gazeux, de l'état liquide, des solutions, de l'état solide, l'électrochimie, la chimie des colloïdes, la photochimie et la thermodynamique statistique. ASTROCHIMIE Astrochimie, branche de l'astronomie s'intéressant à la nature et à l'origine des éléments chimiques et des composés qui constituent l'Univers. Les astrochimistes ont principalement recours aux techniques de radioastronomie et de spectroscopie pour analyser la matière interstellaire, les étoiles et les galaxies. Une grande partie du travail théorique en cosmologie est consacrée à retracer la vie des éléments chimiques, depuis le Big Bang initial jusqu'à la mort des étoiles. Analytique, chimie, : Analytique, chimie : branche majeure de la chimie moderne, subdivisée en deux domaines principaux : l'analyse qualitative et l'analyse quantitative. L'analyse qualitative d'un échantillon permet de déterminer la nature des constituants inconnus!; l'analyse quantitative a pour but de déterminer les quantités relatives de ces constituants.
