chimie - chimie.

chimie - chimie. 1 PRÉSENTATION chimie, science qui étudie la matière et ses transformations. 2 ÉTENDUE DE LA CHIMIE La chimie est divisée en trois branches principales : la chimie générale ou chimie physique, la chimie descriptive et la chimie analytique. Chaque branche présente un aspect théorique et un aspect expérimental, et peut être étudiée du point de vue fondamental, ou appliquée en chimie industrielle. La chimie générale étudie les composés et phénomènes chimiques indépendamment de la nature de ces composés. Elle cherche les principes généraux qui régissent les propriétés et les phénomènes. Elle comporte deux grandes parties : la chimie quantique qui traite de la structure et des propriétés microscopiques des objets chimiques (atomes et molécules), et qui regroupe l'atomistique, la chimie moléculaire, la chimie nucléaire ou radiochimie et la photochimie ; l'autre grand domaine traité par la chimie générale est l'étude de la réaction chimique, qui fait appel d'une part, à la thermochimie pour déterminer les équilibres chimiques, et d'autre part à la cinétique chimique pour décrire les mécanismes et les vitesses des réactions. La chimie descriptive a pour but de décrire la totalité des composés chimiques existants et les réactions auxquelles ils peuvent conduire. Elle présente deux volets : la chimie organique qui étudie les composés du carbone, et la chimie inorganique (ou chimie minérale) qui s'intéresse à tous les autres composés. Notons qu'un petit nombre de composés du carbone sont étudiés par la chimie minérale (les oxydes de carbone, les cyanures...). La chimie analytique résout trois problèmes courants des chimistes : la détection des espèces présentes dans un mélange ; la séparation ou purification des composés ; et la détermination de la structure des composés, une fois isolés ( voir analyse chimique). 3 HISTORIQUE Les premiers procédés « chimiques « sont inventés par les artisans de Mésopotamie, d'Égypte et de Chine. Ceux-ci travaillent les métaux, comme l'or ou le cuivre, à l'état natif ; ils savent fondre quelques minerais métalliques (essentiellement des oxydes et des sulfures) en les chauffant au feu de bois afin d'en extraire les métaux. C'est également à cette époque qu'apparaissent les premières techniques du verre. 3.1 « Physique « grecque 3.1.1 Les quatre éléments naturels Vers 600 av. J.-C., le philosophe grec Thalès suppose que l'eau est le principe de toute chose. Son élève Anaximandre formule une théorie selon laquelle les choses proviendraient de l'infini et retourneraient vers ce dernier sous l'effet de la corruption. De son côté, Anaximène considère l'air comme l'élément fondamental. Pour expliquer comment se constituent les solides à partir de l'air, le philosophe introduit 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 Ve 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. Par ailleurs, Anaxagore est convaincu que la matière est constituée d'un nombre infini d'éléments indivisibles, dont le mélange, réalisé par l'opération de l'intelligence éternelle, conduirait aux choses. 3.1.2 La théorie atomiste Dans la littérature, Leucippe est généralement cité comme le fondateur de 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 interprète cette théorie en affirmant que les choses, complexes d'atomes, se différencient 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. Par la suite, la théorie atomiste est délaissée par les Grecs, sans être toutefois totalement oubliée. Rétablie pendant la Renaissance, elle constitue la base de la théorie atomique moderne. Aristote devient le plus influent des philosophes grecs et ses concepts domineront la philosophie naturaliste pendant presque deux millénaires après sa mort, en 322 av. J.-C ( voir philosophie grecque). 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 ajoute 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. 3.2 Alchimie 3.2.1 La transmutation des métaux En Égypte, la théorie d'Aristote est admise par les artisans, en particulier à Alexandrie, qui devient, 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 ; en outre, ils pensent 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 apparaît en l'an 100 apr. J.-C. et domine la pensée philosophique. Un grand nombre de traités sont publiés sur l'art de la transmutation, ou alchimie. Bien que personne n'ait réussi à fabriquer de l'or, la recherche du perfectionnement des métaux permet de découvrir certains procédés chimiques. À la même époque en Chine, une alchimie similaire voit le jour. Le but est également de fabriquer de l'or, même si ce n'est pas pour la valeur monétaire du métal. Les Chinois croient en effet que l'or est un remède qui peut conférer une longue vie et même l'immortalité à quiconque en consomme. De la même façon que les Égyptiens, ils acquièrent des connaissances chimiques pratiques à partir de théories sans validité éprouvée. Après le déclin de l'Empire romain, les écrits grecs sont moins ouvertement étudiés en Occident, et sont même largement négligés à l'est de la Méditerranée. Cependant, au VIe siècle, une secte de chrétiens, les nestoriens, étendent leur influence en Asie Mineure. Ils créent une université à Édesse, en Mésopotamie, et traduisent un grand nombre d'ouvrages philosophiques et médicaux grecs en syriaque. Aux VIIe et VIIIe siècles, les conquérants arabes propagent la culture islamique dans une grande partie de l'Asie Mineure, en Afrique du Nord et en Espagne. Les califes de Bagdad deviennent des mécènes actifs de la science et de l'enseignement. Les versions syriaques des textes grecs sont à nouveau traduites, cette fois en arabe, et, avec l'enseignement du grec, les idées et la pratique de l'alchimie fleurissent une nouvelle fois. Les alchimistes arabes, également en contact avec la Chine de l'Est, connaissent l'or comme remède et partagent l'idée grecque de la perfection de ce métal. On pense qu'un agent spécifique, la pierre philosophale, favorise la transmutation, laquelle devient l'objet de la recherche alchimique. Les alchimistes ont maintenant une motivation supplémentaire pour étudier les procédés chimiques, car ces derniers peuvent non seulement mener à la richesse, mais également améliorer la santé. L'étude des produits et des appareillages utilisés en chimie fait un réel progrès. Ainsi, on découvre des réactifs importants, tels que les alcalis caustiques (métaux alcalins) et les sels d'ammonium ( voir ammoniac) ; l'appareillage de distillation est régulièrement amélioré. 3.2.2 Au XIe La diffusion des connaissances siècle, l'Occident connaît une importante renaissance intellectuelle, qui est en particulier favorisée par les échanges culturels entre les savants arabes et occidentaux, en Sicile et en Espagne. Des écoles de traducteurs sont fondées ; elles contribuent à la transmission des concepts philosophiques et scientifiques arabes aux érudits européens. Ainsi, les savoirs de la science grecque sont d'abord traduits en syriaque et en arabe, puis en latin, et les écrits parviennent finalement dans toutes les parties d'Europe. Parmi les manuscrits les plus lus, une grande partie concerne l'alchimie. On peut classer ces manuscrits en deux catégories : certains sont pratiques ; d'autres tentent d'appliquer les théories de la nature de la matière aux problèmes alchimiques. La distillation est l'un des sujets pratiques les plus traités. La fabrication du verre ayant été largement améliorée, en particulier à Venise, on peut alors construire un appareil de distillation plus efficace que celui qui a été réalisé par les Arabes. En conséquence, on peut condenser les produits les plus volatils de la distillation. Parmi les produits importants obtenus de cette façon figurent les alcools 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 interviennent dans un grand nombre de réactions nouvelles. Les Arabes transmettent 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 devient rapidement l'un des principaux outils guerriers. À la fin du XIIIe siècle, une technologie chimique efficace est développée en Europe. Les autres manuscrits d'alchimie transmis par les Arabes sont essentiellement théoriques. Un grand nombre d'entre eux présentent un caractère mystique, contribuant peu au progrès de la chimie. D'autres tentent d'expliquer la transmutation en termes physiques. Les Arabes ont fondé leurs théories de la matière sur les idées d'Aristote, mais leur réflexion tend vers une plus grande précision, en particulier dans la composition des métaux. D'après eux, les métaux sont constitués de soufre et de mercure, non pas les substances familières qu'ils connaissent parfaitement, mais plutôt le « principe « du mercure, qui confère aux métaux un caractère fluide ; et le « principe « du soufre, qui rend les substances combustibles et les métaux corrodables. Les réactions chimiques s'expliquent par des variations quantitatives de ces principes dans la matière. Au cours des XIIIe et XIVe perfectionnées jusqu'au siècles, l'influence d'Aristote décline dans tous les domaines de la pensée scientifique. L'observation de la fusion de la matière fait douter des explications du philosophe. Au Japon, les techniques de la trempe sont 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, sont fabriquées par des moines-forgerons au service de seigneurs. Après 1500, les ouvrages d'alchimie apparaissent en nombre croissant, comme ceux concernant la technologie. Le résultat de ces connaissances et de leur transmission est flagrant au 3.2.3 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'intéressent en particulier aux minerais pour leur contenu en métaux de valeur, évaluation qui nécessite l'usage d'une balance de laboratoire ou cadran gradué, et le développement de méthodes quantitatives. Dans les autres domaines, en particulier en médecine, les savants commencent à reconnaître le caractère indispensable 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 quantitatives sont largement développées par le médecin suisse Paracelse. Issu d'une région minière, il s'intéresse aux propriétés des métaux et de leurs composés, qu'il considère plus efficaces que les remèdes à base de plantes utilisés par les médecins orthodoxes. Pendant la majeure partie de sa vie, il est impliqué dans de violentes querelles avec le pouvoir médical de l'époque, et il fonde la science de l'iatrochimie (usage de médicaments chimiques), précurseur de la pharmacologie. Paracelse et ses successeurs découvrent 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 ajoute 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 est déterminante pour le développement ultérieur de la chimie. Les iatrochimistes qui suivent Paracelse se démarquent de certaines de ses idées les plus fantaisistes ; de manière générale, ils associent ses recettes et les leurs pour préparer des remèdes chimiques. Enfin, à la fin du XVIe siècle, André Libavius publie une classification des connaissances iatrochimiques dans son Alchimie, ouvrage souvent considéré comme le premier manuel de chimie. 3.3 Naissance de la chimie moderne Dans la première moitié du XVIIe siècle, certains scientifiques se mettent à étudier expérimentalement les réactions chimiques, non pas parce qu'elles sont utiles pour d'autres disciplines, mais plutôt pour leur intérêt propre. Le Flamand Jan Baptist Van Helmont, médecin qui délaissera la pratique médicale pour se consacrer à l'étude de la chimie, utilise une balance pour montrer qu'une quantité définie de sable peut être fondue en présence d'une base pour former le gaz à l'eau, et que ce produit, traité par de l'acide, régénère la quantité originelle de sable (silice). Ainsi apparaissent les prémices des fondements du principe de conservation de la masse. Van Helmont découvre également que, dans un certain nombre de réactions (combustion du charbon, fermentation du jus de raisin, etc.), un fluide aérien (le gaz carbonique) est libéré : il l'appelle « gaz sylvestre «. Cette découverte le conforte dans sa théorie des « gas «, comme il les nomme, qui distingue l'air des autres gaz. C'est encore à lui que l'on doit l'invention du thermomètre. 3.3.1 Au XVIe Théorie cinétique des gaz siècle, suite à la découverte de la possibilité de créer un vide, ce qu'Aristote déclarait impossible, l'attention se porte sur l'ancienne théorie de Démocrite, qui suppose que les atomes se déplacent dans le vide. René Descartes et ses successeurs introduisent alors un concept mécanique de la matière selon lequel la taille, la forme et le mouvement des particules expliquent tous les phénomènes observés. À cette époque, la plupart des philosophes naturalistes et des iatrochimistes supposent que les gaz n'ont pas de propriétés chimiques ; leur attention est donc focalisée sur le comportement physique de ces derniers. Une théorie cinétique moléculaire des gaz prend ainsi forme. Dans ce cadre, de remarquables expériences sont réalisées, notamment par Robert Boyle dont les études sur l'élasticité de l'air conduisent 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 ; en outre, il contribue à la définition de l'élément chimique fournie plus tard par le Français Lavoisier. 3.3.2 Le phlogistique Pendant que de nombreux philosophes spéculent sur les lois mathématiques, des savants tentent d'expliquer au moyen de théories les réactions chimiques qu'ils observent. Les iatrochimistes prêtent 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 construit un système chimique autour de ce principe. Il remarque que lorsque la matière organique brûle, une substance volatile se vaporise. Son disciple Georg Ernst Stahl en fait le fondement d'une théorie qui survivra dans les cercles chimiques pendant près d'un siècle : l'hypothèse du phlogistique. Stahl suppose que lorsqu'une substance brûle, sa partie combustible se dégage dans l'air. Il appelle cette partie le phlogistique, du mot grec signifiant « inflammable «. Selon Stahl, la corrosion des métaux est analogue à la combustion et implique donc la perte du phlogistique. Les plantes absorbent le phlogistique de l'air et sont donc riches en phlogistique. Chauffer la chaux ou des oxydes métalliques au feu de bois leur redonne le phlogistique. Par conséquent, la chaux est un élément et le métal un composé. Cette théorie, qui va à l'encontre de la conception actuelle de l'oxydoréduction, implique la mutation cyclique d'une substance -- quand bien même dans la mauvaise direction --, et certains phénomènes observés peuvent s'expliquer par cette mutation. Cependant, des études récentes en histoire de la chimie montrent que l'hypothèse du phlogistique n'a eu qu'une influence mineure parmi les chimistes, jusqu'à ce qu'elle soit réfutée par Lavoisier, dans le dernier quart du XVIIIe 3.4 Au XVIIIe siècle. Approche scientifique siècle, une nouvelle observation fait progresser la compréhension de la chimie : les scientifiques constatent que certaines substances se combinent plus facilement que d'autres, ou ont une plus ou moins grande affinité pour un produit donné. Des tables détaillées sont établies pour montrer les affinités relatives des composés lors de leur mélange. L'étude et l'usage de ces tables rendent possible la prédiction de nombreuses réactions chimiques avant leur réalisation en laboratoire. 3.4.1 La chimie analytique Cette nouvelle approche conduit à la découverte de nouveaux métaux, de leurs composés et de leurs caractéristiques. Les méthodes analytiques qualitatives et quantitatives se développent : la science de la chimie analytique est née. Néanmoins, aussi longtemps que le rôle des gaz reste l'étude exclusive de la physique, la dimension de la chimie ne peut être pleinement reconnue. 3.4.2 L'étude chimique des gaz L'étude chimique des gaz prend son essor au début du XVIIIe siècle, lorsque le naturaliste britannique Stephen Hales met au point le principe de la cuve à eau, qui lui permet de récupérer les gaz émis par de nombreuses substances chauffées et de mesurer le volume de ces gaz. La cuve à eau devient un dispositif précieux pour la collecte et l'étude des gaz, domaine qui progresse rapidement et conduit à un nouveau niveau de compréhension des gaz. 3.4.2.1 Travaux de Joseph Black En 1756, à Édimbourg, le chimiste britannique Joseph Black publie ses études sur les réactions des carbonates de magnésium et de calcium : lorsqu'ils sont chauffés, ces composés dégagent un gaz et laissent un résidu, la « magnésie calcinée «, ou chaux. Cette dernière réagit avec l'« alcali « (carbonate de sodium) pour régénérer les sels originaux. Ainsi, le dioxyde de carbone, que Black appelle « air fixe «, joue un rôle fondamental dans certaines transformations. L'idée qu'un gaz ne peut pas intervenir dans une réaction chimique est définitivement ébranlée, et déjà quelques gaz sont reconnus comme composés à part entière. 3.4.2.2 Travaux de Joseph Priestley Le physicien britannique Henry Cavendish isole l'« air inflammable « (hydrogène) en 1766. Il introduit également l'usage du mercure à la place de l'eau comme liquide de confinement, au-dessus duquel les gaz sont recueillis, rendant possible la récupération des gaz solubles dans l'eau. Cette variante est largement utilisée par Joseph Priestley, qui recueille et étudie une douzaine de gaz nouveaux. La plus importante découverte de Priestley est celle d'un gaz que Lavoisier nommera plus tard oxygène, et il se rend rapidement compte que ce gaz est un constituant de l'air, responsable de la combustion et rendant possible la respiration des animaux. Il remarque que, immergées dans ce gaz, les substances combustibles brûlent plus facilement et que les métaux forment plus facilement des chaux, puisqu'ils sont dépourvus de phlogistique. Par conséquent, ce gaz accepte le phlogistique présent dans la substance combustible ou le métal plus facilement que l'air ordinaire, en partie constitué de phlogistique. Priestley dénomme ce gaz « air déphlogistiqué « et prône sa théorie jusqu'à la fin de sa vie. 3.4.2.3 Travaux d'Antoine de Lavoisier Parallèlement en France, la chimie progresse de manière éclatante, en particulier dans le laboratoire d'Antoine de Lavoisier, qui est troublé par l'observation suivante : les métaux chauffés dans l'air gagnent du poids, alors qu'ils sont supposés perdre du phlogistique. En 1774, Priestley fait part à Lavoisier de sa découverte de l'air déphlogistiqué, que le Français nomme oxygène, ouvrant ainsi la voie à l'avènement de la chimie moderne. Lavoisier est l'un des premiers à réaliser des expériences rigoureuses et réellement quantitatives. Il démontre 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 est 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 utilise la balance de laboratoire pour donner un support quantitatif à ses travaux. Il donne également la définition actuelle de l'élément chimique, substance qui ne peut être décomposée par des moyens chimiques. Il peut ainsi établir le principe de conservation de la masse ou de la matière. Avec, entre autres, Claude Louis Berthollet, Lavoisier remplace l'ancien système des noms chimiques (encore fondé sur l'usage alchimique) par la nomenclature rationnelle utilisée de nos jours, et participe à la fondation de la première revue de chimie. Après sa mort, en 1794, ses confrères poursuivent son oeuvre et la chimie acquiert enfin son statut de science. Par exemple, Jöns Jakob Berzelius propose 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. 3.5 Essor de la chimie 3.5.1 Les lois sur les gaz En 1804, Louis Joseph Gay-Lussac montre que les rapports des volumes des gaz qui réagissent sont des 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 découvre également le bore, isole le cyanogène et mène des études sur l'iode. Il démontre, avec Thenard, que le chlore est un corps simple. En 1808, John Dalton publie son hypothèse atomique. Il considère qu'il est possible de déduire les masses relatives des particules ou des atomes du rapport des masses dans les composés. Selon lui, tous les composés sont « binaires « (le rapport du nombre d'atomes des différents éléments étant égal à 1), sauf si des éléments peuvent former deux composés différents (auquel cas l'un des composés serait binaire, l'autre ternaire) ou si les éléments peuvent former trois composés différents (l'un serait binaire, les deux autres ternaires). De plus, il affirme que les masses relatives (aujourd'hui, on parle de masse atomique) de chaque élément sont différentes -- ce qui n'a 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 prend la valeur 10 pour l'oxygène. La théorie de Dalton comporte de nombreuses erreurs, mais elle sert de base à des hypothèses ultérieures qui vont révolutionner la chimie théorique. En 1811, Amedeo Avogadro suppose que des volumes égaux de gaz ont le même nombre de molécules dans les mêmes conditions de température et de pression. Il établit une distinction entre molécules et atomes : une mole contient 6,023 × 1023 molécules (nombre d'Avogadro). En 1836, Thomas Graham démontre que la vitesse de diffusion des gaz est inversement proportionnelle à la racine carrée de leurs densités. Les idées d'Avogadro sont oubliées pendant presque cinquante ans. Pendant ce temps, une grande confusion règne parmi les chimistes qui ne parviennent pas à résoudre nombre de leurs équations. C'est Stanislao Cannizzaro qui réintroduit les hypothèses d'Avogadro vers 1860. À cette époque, les chimistes trouvent 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, préconisée par Dalton. La masse moléculaire de l'oxygène (32) est alors utilisée universellement, les calculs sont standardisés et les formules établies sont écrites. 3.5.2 L'électrochimie Au début du XIXe siècle, la précision en chimie analytique a énormément progressé. Les chimistes parviennent à démontrer que les composés simples contiennent des quantités définies de leurs éléments constitutifs. Cependant, dans certains cas, plus d'un composé peut être formé avec les mêmes éléments. L'ancien problème de la nature de l'affinité chimique demeure non résolu. Pendant un temps, la réponse semble résider dans le nouveau domaine de l'électrochimie. En 1800, l'invention de la pile électrique par Alessandro Volta, première cellule électrique véritable, fournit un nouvel outil aux chimistes et conduit à la découverte de métaux, tels que le sodium et le potassium. Berzelius suppose que les forces électrostatiques positives et négatives peuvent maintenir les éléments assemblés. Au début, ses théories sont globalement admises. Comme les chimistes préparent et étudient surtout de nouveaux composés et des réactions dans lesquelles les forces électriques ne sont pas impliquées (composés non polaires), le problème de l'affinité est mis en suspens pour un certain temps. 3.5.3 Au XIXe La chimie organique siècle, les progrès les plus importants en chimie concernent 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 remet en cause la théorie communément admise aux XVIIe et XVIIIe siècles, selon laquelle les composés organiques ne peuvent 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 mène d'importantes recherches en chimie organique. L'un des créateurs de la théorie atomique, Charles Adolphe Wurtz, découvre les amines et le glycol. En 1869, Dimitri Ivanovitch Mendeleïev élabore la classification périodique des éléments chimiques, qui est encore utilisée aujourd'hui. La chimie structurale, qui décrit la façon dont les atomes sont liés, utilise sa propre logique. Elle permet notamment la prédiction et la préparation de nombreux composés nouveaux, dont un grand nombre de colorants importants, des médicaments et des explosifs, qui donnent naissance aux grandes industries chimiques, en particulier en Allemagne. 3.5.4 À la fin du La radioactivité XIXe siècle, il semble qu'aucun nouveau domaine important ne reste à développer en chimie et en physique. Cette optique change radicalement avec la découverte de la radioactivité en 1896, par Henri Becquerel ; en 1898, Pierre et Marie Curie mettent en évidence l'existence d'éléments radioactifs naturels : le polonium (Po) et le radium (Ra). Au moyen de méthodes chimiques, on isole de nouveaux éléments comme le radium et on parvint à en séparer les isotopes (notamment grâce aux travaux de Francis Aston et de Joseph John Thomson). On parvient également à synthétiser et à isoler de nouveaux éléments transuraniens. Cette fin de siècle marque l'avènement d'une nouvelle chimie : la chimie nucléaire. 3.6 Au XIXe Interdisciplinarité siècle, d'autres domaines de la chimie apparaissent et se développent rapidement. Stimulés par les progrès réalisés en physique, des chimistes cherchent à appliquer des méthodes mathématiques à leur science. L'étude des vitesses de réaction conduit au développement des théories cinétiques, appliquées à l'industrie et à la recherche fondamentale. On reconnaît que la chaleur est due à un mouvement de particules à l'échelle atomique, c'est-à-dire à un phénomène cinétique, ce qui permet l'avènement de la thermodynamique. La poursuite des recherches en électrochimie conduit 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 devient importante à la fois pour les chimistes et les physiciens, conduisant au développement de la spectroscopie. Par ailleurs, deux autres axes de recherche fondamentale apparaissent : la chimie des colloïdes et la photochimie. Le développement de ces divers domaines est généralement associé à celui de la chimie physique. 3.6.1 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 a fallu 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 résout le vieux problème de l'affinité chimique et explique la relation entre les composés polaires et non polaires. En 1902, le chimiste britannique Ernest Rutherford suppose que, à la suite de désintégrations, les éléments radioactifs peuvent 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 suppose -- en contradiction avec les lois de l'électrodynamique -- que l'électron, dans son parcours sur une orbite donnée, n'émet ni n'absorbe d'énergie. Dans son modèle, l'atome présente 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, théorie fondée par le physicien allemand Max Planck. 3.6.2 Le XXe La biochimie siècle est marqué par l'avènement de la biochimie. Celle-ci a d'abord pour objet l'analyse des liquides corporels ; puis des méthodes d'investigation sont rapidement mises au point pour déterminer la nature et la fonction des composants les plus complexes de la cellule et de l'organisme. Parallèlement, en ce début de XXe siècle apparaît la génétique, étude de la transmission des caractères physiques, biochimiques et comportementaux des parents à leur descendance. En quelques décennies, la génétique aboutit à l'élucidation du code génétique et de la fonction du gène, puis à l'avènement du génie génétique. Les biotechnologies, qui intègrent les progrès de ces diverses disciplines des sciences de la vie, sont à l'origine du séquençage complet du génome humain en 2003. 3.6.3 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, cette science connaît des progrès considérables, en particulier au niveau des procédés d'élaboration des matériaux. De nouvelles techniques sont mises au point, comme le frittage (qui permet la synthèse des céramiques, composés aux propriétés remarquables) ou l'hypertrempe (qui conduit à la préparation de matériaux amorphes, c'est-à-dire dont la structure est semblable à celle des verres). On élabore également des verres métalliques -- matériaux dont la structure est intermédiaire entre celle des verres et celle des métaux -- et des verres fluorés, pour des applications spécifiques. La recherche sur les macromolécules s'amorce à la fin de la Première Guerre mondiale. À cette époque sont déjà synthétisés de nombreuses matières plastiques, des résines, des élastomères et des matériaux composites. Des progrès considérables sont également réalisés dans le domaine des semi-conducteurs, aux applications nombreuses et variées, en particulier en électronique. 3.6.4 Les techniques d'analyse La chimie se dote également 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). 4 INDUSTRIE CHIMIQUE L'industrie chimique a pour objet la transformation de composés en produits chimiques qui répondent à un besoin. Elle comporte deux volets : la chimie lourde, qui fabrique tous les produits de base de la chimie ; et la chimie fine, qui utilise les produits de la chimie lourde pour synthétiser les produits finis utilisés par l'homme. C'est au début du XIXe siècle qu'elle apparaît, avec la carbochimie, chimie industrielle de la houille et de ses dérivés. Le procédé Leblanc, pour la synthèse de la soude, est mis au point en 1791 et commercialisé en Grande-Bretagne à partir de 1823, pendant la révolution industrielle. C'est l'un des tous premiers procédés à grande échelle. Au début du XXe siècle, l'industrie chimique allemande, bénéficiant d'une longue tradition de recherche, connaît un essor rapide, en particulier dans les domaines de la pharmacie, des colorants et des parfums. Ainsi, l'Allemagne acquiert une prédominance scientifique jusqu'à la Première Guerre mondiale. À l'issue du conflit, l'industrie chimique se développe dans la plupart des pays. En ce début du XXe siècle, de nombreux procédés de synthèse sont mis au point (ammoniac, acide nitrique, Nylon) et industrialisés. En Europe, à partir de 1945, la carbochimie est progressivement supplantée par la pétrochimie, chimie des dérivés du pétrole. Dans les pays développés, l'industrie chimique connaît 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. Elle fournit les matières premières à toutes les industries en aval. La France est le quatrième producteur mondial de produits chimiques (9 p. 100 de la production mondiale). La chimie représente 10 p. 100 de l'industrie française (en chiffre d'affaires), 7 p. 100 des emplois du secteur secondaire, et constitue la deuxième source industrielle de devises. 5 CHIMIE ET SOCIÉTÉ La chimie a eu -- et a toujours -- une influence considérable sur la vie de l'humanité. Dans l'Antiquité, des « procédés chimiques « ont servi à isoler des produits naturels d'usage courant ; au XIXe siècle, de nombreux modes de transformation ont été mis au point pour synthétiser de nouvelles substances se substituant aux composés naturels. Les composés synthétisés étant de plus en plus complexes, on a mis au point des produits révolutionnaires aux applications nouvelles. C'est ainsi que le XXe siècle a vu se développer des matériaux de haute technologie, comme les matières plastiques, dont la plupart supplantent progressivement les matériaux traditionnels, tels que le bois ou les métaux. L'essor de la chimie organique a permis de synthétiser nombre de médicaments efficaces grâce auxquels de nombreuses maladies ont été enrayées. En outre, les différentes disciplines scientifiques, qui avaient jusque-là connu des évolutions séparées, ont commencé à entretenir d'étroites relations les unes avec les autres. Ainsi, la chimie est très liée aux autres domaines scientifiques et à l'industrie en général. Ces dernières années, les progrès scientifiques ont été spectaculaires. Cependant, ils ont aussi conduit à des situations délicates pour la santé de l'homme. Les dangers les plus évidents sont imputables aux retombées radioactives, avec leur potentiel de risque de cancer pour les individus exposés et les mutations génétiques possibles chez leurs enfants. On a également réalisé que l'accumulation, dans les cellules des êtres vivants, de pesticides autrefois supposés inoffensifs ou de sous-produits de procédés de fabrication (notamment les dioxines) ont souvent des effets nuisibles. Ces découvertes, loin d'être des évidences au début, ont conduit au développement de nouveaux domaines d'étude : la chimie de l'environnement et l'écologie en général. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.