Chimie

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La chimie est une science de la nature qui étudie la matière et ses transformations, et plus précisément [1] :

  1. les éléments chimiques à l'état libre, atomes ou ions atomiques. Elle étudie également leurs associations par liaisons chimiques qui engendrent notamment des composés moléculaires stables ou des intermédiaires plus ou moins instables. Ces entités de matière peuvent être caractérisées par une identité reliée à des caractéristiques quantiques et des propriétés précises ;
  2. les processus qui changent ou modifient l'identité de ces particules ou molécules de matière, dénommés réaction chimique, transformation, interaction, etc. ;
  3. les mécanismes réactionnels intervenant dans les processus chimiques ou les équilibres physiques entre deux formes, qui permettent d'interpréter des observations et d'envisager de nouvelles réactions ;
  4. les phénomènes fondamentaux observables en rapport avec les forces de la nature qui jouent un rôle chimique, favorisant les réactions ou synthèses, addition, combinaison ou décomposition, séparation de phases ou extraction. L' analyse permet de découvrir les compositions, le marquage sélectif ouvre la voie à un schéma réactionnel cohérent dans des mélanges complexes.

La taille des entités chimiques varie de simples atomes ou molécules nanométriques aux édifices moléculaires de plusieurs dizaines de milliers d'atomes dans les macromolécules, l' ADN ou protéine de la matière vivante (infra) micrométrique, jusqu'à des dimensions parfois macroscopiques des cristaux. En incluant l' électron libre (qui intervient dans les réactions radicalaires), les dimensions de principaux domaines d'application se situent dans son ensemble entre le femtomètre (10-15 m) [2] et le micromètre (10-6 m).

L'étude du monde à l'échelle moléculaire soumise paradoxalement à des lois singulières, comme le prouvent les récents développements nanotechnologiques, permet de mieux comprendre les détails de notre monde macroscopique. La chimie est qualifiée de « science centrale » [3] en raison des puissants liens qu'elle possède avec la biologie et la physique. Ainsi qu'avec la médecine, la pharmacie, l' informatique et la science des matériaux, sans oublier des domaines appliqués tels que le génie des procédés.

La physique, et surtout son instrumentation, est devenue hégémonique après 1950 dans le champ de la science de la matière. Les avancées en physique ont surtout refondé en partie la chimie physique et la chimie inorganique. La chimie organique, par l'intermédiaire de la biochimie, a partagé des recherches valorisant la biologie. Mais la chimie n'en garde pas moins une place incontournable et légitime dans le champ des sciences exactes : elle fournit des produits, des molécules, découvre ou invente des structures moléculaires simples ou complexes qui bénéficient de façon extraordinaire à la recherche physique ou biologique. Enfin, l'héritage cohérent que les chimistes défenseurs marginaux des structures atomiques ont légué aux acteurs de la révolution des conceptions physiciennes au début du XXe siècle ne doit pas être sous-estimé.

Tubes à essai contenant des solutions et des précipités.

Étymologie et Histoire

Étymologie

Trois étymologies sont fréquemment citées, mais ces hypothèses peuvent être reliées :

  • l'une égyptienne, kemi viendrait de l'ancien égyptien Khemet, la terre. Il se retrouve aussi dans le copte chame « noire » puisque dans la vallée du Nil, la terre est noire. L'art de la kemi, par exemple les poisons minéraux, a pu influencer la magie noire. La terre d' Égypte elle-même aurait été fort anciennement une terre conquise par des peuples noirs [4] ;
  • la racine grecque se lie à χυμεία, khumeia, « mélange de liquides » (χυμός, khumos, « suc, jus ») [5] ;
  • enfin, le mot « chimie » proviendrait de l'arabe al kemi, الكيمياء (littéralement la kemia, la « chimie » [6]), venant du grec χεμεία, khemeia, qui signifie « magie noire », mot lui-même venant de l'égyptien ancien kem qui désigne la couleur noire.

Notes

  • Al kem signifie aujourd'hui en arabe 'la quantité', attestant que la chimie passe par une précoce approche quantitative de la matière, couvrant indistinctement le champ des premiers procédés chimiques comme celui du dosage en pharmacopée.
  • Khem(et) désigne la terre pour les anciens Égyptiens. La chimie se présente comme l'art de la terre et le savoir sur la terre.
  • En persan, « Kimiya », « kimyaw » ou « Kamyâb » pour les Iraniens d'aujourd'hui, signifie rare. Rhazès (Razi), l' alchimiste perse du IXe siècle, cherchait à obtenir un élément rare capable de transformer les métaux en or.

Origines

Schéma de distillation au laboratoire.
La distillation fractionnée sert à séparer des corps chimiques de différentes volatilités. Le recueil méticuleux de phases vapeur semble l'une des plus anciennes opérations chimiques connues.

L'art d'employer ou de trier, préparer, purifier, de transformer les substances séchées mises sous forme de poudres, qu'elles proviennent du désert ou de vallées sèches, a donné naissance à des codifications savantes. Initialement d'abord essentiellement minérales. Mais les plantes éphémères et les arbres pérennes du désert, et leurs extraits gommeux ou liquides nécessaires aux onguents ont été très vite assimilés à celles-ci, par reconnaissance de l'influence des terres et des roches.

Outre la connaissance du cycle de l'eau et des transports sédimentaires, la maîtrise progressive des métaux et des terres, les Anciens Égyptiens connaissent beaucoup de choses. Parmi elles, le plâtre, le verre, la potasse, les vernis, le papier ( papyrus durci à l'amidon), l' encens, une vaste gamme de couleurs minérales ou pigments, de remèdes et de produits cosmétiquesetc. Plus encore que les huiles à onction ou les bains d'eaux ou de boues relaxants ou guérisseurs, la chimie se présente comme un savoir sacré qui permet la survie. Par exemple par l'art sophistiqué d'embaumer ou par le placement des corps des plus humbles dans un endroit sec.

L'art de la terre égyptien a été enseigné en préservant une conception unitaire. Les temples et les administrations religieuses ont préservé et parfois figé le meilleur des savoirs. Le pouvoir politique souverain s'est appuyé sur les mesures physiques, arpentage et hauteur hydraulique des crues, peut-être sur la densité du limon en suspension, pour déterminer l'impôt et sur les matériaux permettant les déplacements ou la mobilité des armées. Le vitalisme ou les cultes agraires et animaux, domaines appliqués de la kemia, ont été préservés dans des temples, à l'instar d' Amon, conservatoire des fumures azotées et de la chimie ammoniacale antique.

Signes alchimiques des sept métaux : Étain (Jupiter), Plomb (Saturne), Or (Apollon, soleil), Cuivre (Vénus), Mercure, Argent (Diane, Lune), Fer (Mars).

Les savants musulmans [7] supposaient que tous les métaux provenaient de la même espèce. Ils croyaient à la possibilité de la transmutation et cherchèrent en vain dans cette perspective l'obtention de « l'al-iksir » qui prolongerait la vie.

« Dans le même temps, guidés par des préoccupations plus pratiques, ils se livraient dans leurs laboratoires à des expérimentations systématiques des corps. Disposant de tableaux indiquant les poids spécifiques, ils pouvaient en les pesant, les distinguer, les reconnaître par des analyses sommaires et, quelquefois même les reconstituer par synthèse. [...] Ils trouvèrent des teintures pour colorer les tissus, les mosaïques et les peintures, si parfaites qu'elles ont gardé leur fraîcheur millénaire. »
« Les Arabes allaient faire connaître au monde l'usage des parfums, en apprenant à extraire les parfums des fleurs. À Chapur, on distillait toutes les essences selon les techniques zoroastriennes : narcisse, lilas, violette, jasmin… Gur était réputé pour ses eaux parfumées et fabriquait des eaux de fleur d'oranger et de rose à base de rose d'Ispahan. Samarkand était célèbre par son parfum de basilic, Sikr par son ambre. Le musc du Tibet, le Nénuphar d'Albanie, la Rose de Perse demeurent des parfums aussi prestigieux que légendaires. »
« En mélangeant la soude (Al-qali) avec le suif ou l'huile, les Arabes fabriquèrent les premiers savons et créèrent une des plus magnifiques industries de Bagdad, qui devait s'étendre rapidement sur l'Égypte, la Syrie, La Tunisie et l'Espagne musulmane. L'islam avait fait si bien que le goût du bien-être gagna toutes les classes de la société et que la production ne suffit plus à la consommation. Le besoin d'inventer l'industrie des succédanés ou ersatz se fit sentir à ce moment-là » [8] »

Nos repères de pensée taxonomique sont profondément influencés par les civilisations grecques puis hellénistiques, férues de théorisations, qui ont lentement esquissé de façon sommaire ce qui encadre aux yeux profanes la chimie, la physique et la biologie. Elles ont laissé les techniques vulgaires au monde du travail et de l' esclave. L'émergence de spiritualités populaires, annexant l'utile à des cultes hermétiques, a promu et malaxé ses bribes de savoirs dispersés. Incontestablement, les premiers textes datés tardivement du Ier siècle et IIe siècle après Jésus-Christ qui soient parvenus comportent à l'exemple de l' alchimie médiévale la plus ésotérique, une partie mystique et une partie opératoire [9]. La religiosité hellénistique a ainsi légué aussi bien le bain-marie, de Marie la Juive que l'abscons patronage d'Hermès Trismégiste, divinité qui prétendait expliquer à la fois le mouvement et la stabilité de toute chose humaine, terrestre ou céleste.

Évolution avant l'apparition d'une science mécaniste

Au cours des siècles, ce savoir empirique oscille entre art sacré et pratique profane. Il s'est préservé comme l'atteste le vocable chimia des scolastiques en 1356, mais savoir et savoir-faire sont souvent segmentés à l'extrême. Parfois, il est amélioré dans le monde paysan, artisan ou minier avant de devenir une science expérimentale, la chimie, au cours des troisième et quatrième décennies du XVIIe siècle. Au même titre que la physique, le prodigieux essor de la pensée et de la modélisation mécanistes, fait naître la chimie sous forme de science expérimentale et descriptive [10]. Riche de promesses, la chimie reste essentiellement qualitative et bute sur le retour incessant des croyances écartées.

Les alchimistes ont subsisté jusqu'en 1850. Ils étaient acceptés par les croyances communes, poursuivant la quête de la pierre philosophale et continuant l'alchimie sous une forme ésotérique. La rupture entre la chimie et l'alchimie apparaît pourtant clairement en 1722, quand Étienne Geoffroy l'Aîné, médecin et naturaliste français, affirme l'impossibilité de la transmutation. La chimie expérimentale et l'alchimie diffèrent déjà radicalement ; donc nécessité de pouvoir distinguer ces deux termes restés dans le langage.

La chimie a connu une avancée énorme avec Antoine Lavoisier qui l'a promue au rang de science exacte. Lavoisier reste dans l'Histoire comme celui qui a découvert la combustion par le dioxygène ( 1775). Pour le philosophe Thomas Samuel Kuhn, il s'agit une révolution scientifique majeure, qui a donné naissance à la chimie moderne [11].

Les biographies des savants français et étrangers se trouvent dans les articles répertoriés dans la Catégorie:Chimiste ou de la Liste de chimistes.

Représentations de l'atome et de la molécule

Article détaillé : Atome.
John Dalton à son modeste bureau de laboratoire mancunien.

L'étude qualitative de la matière a naturellement conduit les premiers chimistes des années 1620-1650 à modéliser sa composition, puisant librement, mais non sans méfiance dans une abondante tradition antique. À la suite de Van Helmont, ces adeptes mécanistes de la contingence maîtrisent déjà la notion de gaz, tiennent compte du facteur de la température et parviennent à expliquer sommairement la pression de vapeur d'un corps et les mélanges miscibles des fluides. John Dalton, persévérant expérimentateur, continuateur de la première lignée mécaniste partiellement abandonnée, a le premier essayé de donner une définition moderne de la notion d' atome. L'atome constitue une particule fondamentale ou une combinaison de plusieurs d'entre elles. En 1811, Amedeo Avogadro affirme que le volume d'un gaz quelconque à pression et température constante contient le même nombre de particules, qu'il dénomme molécules intégrantes ou constituantes [12].

L'obstination de nombreux chimistes souvent incompris, tel Berzelius en pionnier de l'électrovalence dès 1812, a servi pour réaffirmer la possibilité d'une modélisation à la fois mécaniste et géométrique par le biais d'une architecture atomique. Auguste Laurent, proposant pour des séries homologues de molécules organiques un même squelette constitué d'atomes, était cruellement dénigré par les maîtres des laboratoires [13]. Mais malgré la suprématie et l'influence politique des équivalentistes, le revirement s'opère. Ce dernier est porté par la reconnaissance des vieux succès de l'électrochimie préparative depuis Humphry Davy et Michael Faraday et la volonté de corréler quantitativement nombre d' espèces chimiques et masse d'un corps pur.

Représentation de l'atome d' oxygène selon le modèle de Bohr : autour du noyau, les électrons en orbite.

Le congrès de Karlsruhe organisé en 1860 par les amis de Friedrich August Kékulé von Stradonitz et de Charles Adolphe Wurtz ouvre la voie à des conventions atomiques [14]. Son influence éveille une intense recherche de classification des éléments qui débouche notamment sur les classifications périodiques de Mendeleïev et de Meyer. Elle entraîne un renouveau d'intérêt pour les molécules [15]. Kékulé et Kolbe en chimie organique, Le Bel et van 't Hoff en chimie générale et plus tard Alfred Werner en chimie minérale établissent les fondements de la représentation en structures moléculaires [16].

Les orbitales atomiques représentées par les nuages électroniques probabilistes et modélisées à l'aide des équations de la mécanique quantique, le meilleur outil théorique actuel pour décrire le comportement des liaisons quantifiées des atomes et molécules.

Les travaux de Joseph John Thomson, découvreur de l'électron en 1897, prouvent que l'atome est constitué de particules électriquement chargées. Ernest Rutherford démontre par sa célèbre expérience en 1909 que l'atome est surtout composé de vide, son noyau, massif, très petit et positif, étant entouré d'un nuage électronique. Niels Bohr, précurseur de la modélisation atomique, affirme en 1913 que les électrons circulent sur des « orbites ». Lorsque James Chadwick découvre les neutrons, la théorie quantique fondée au début de l'entre-deux-guerres sur le modèle rival d'Erwin Schrödinger renforcée pas les compléments matriciels de Werner Heisenberg, l'affinement théorique de Wolfgang Pauli a déjà pris son envol. Et ce, malgré les contestations appliquées et systématiques d' Albert Einstein. Des années 1930 à notre XXIe siècle, la mécanique quantique explique le comportement de l'atome et des molécules.

Méthodes physiques d'identification de composés chimiques au XXe siècle

Au XXe siècle, l'essor des mesures physiques a facilité aux chimistes la caractérisation des composés avec lesquels ils travaillent. Avant, la réaction chimique et un nombre restreint de techniques physico-chimiques s'imposaient en ultime recours pour détecter ou caractériser une molécule. Maintenant, il existe diverses méthodes de mesures. Parmi elles, la chromatographie, la spectrométrie électromagnétique (infrarouge, lumière visible ou UV), la masse, de résonance magnétique nucléaire. Sans oublier aussi d'inclure les microscopies électroniques et autres analyses par diffraction de rayons X ou par diffusion de particules et, dans des cas d'observation contrôlée sur surface plane, la microscopie par champ de force. Toutes ces possibilités ont permis une identification plus aisée. Elles offrent souvent la possibilité de remonter à la structure géométrique des molécules et de leurs assemblages et de connaître leur composition isotopique. Parfois même de « voir » par le multiplicateur instrumental la molécule, de la (dé)placer ou de suivre des réactions (photo)chimiques en temps réel de plus en plus brèves. Ces progrès physico-chimiques ont permis de grandes avancées tout particulièrement en biochimie où les édifices étudiés restent complexes et les réactions variées.

Quelques personnalités de la chimie et de la physico-chimie

Article détaillé : Liste de chimistes.
Nom Pays Contribution Distinctions
Svante August Arrhenius (1859-1927) Drapeau de la Suède  Suède Loi d'Arrhenius Prix Nobel de chimie 1903
Amedeo Avogadro (1776-1856) Drapeau de l'Italie  Italie Définition de la mole
Johann Joachim Becher (1635-1682) Drapeau de l'Allemagne  Allemagne Précurseur de la chimie scientifique
Henri Becquerel (1852-1908) Drapeau de la France  France Découverte de la radioactivité Prix Nobel de physique 1903
Marcellin Berthelot (1827-1907) Drapeau de la France  France Pionnier de la thermochimie Médaille Davy 1883
Niels Bohr (1885-1962) Drapeau du Danemark  Danemark Modèle de Bohr de l'atome Prix Nobel de physique 1922
Joannes Brønsted (1879-1947) Drapeau du Danemark  Danemark Théorie acido-basique
Donald J. Cram (1919-2001) Drapeau des États-Unis  États-Unis Travaux en stéréochimie Prix Nobel de chimie 1987
John Dalton (1766-1844) Drapeau : Royaume-Uni  Royaume-Uni Théorie atomique
John Frederic Daniell (1790-1845) Drapeau : Royaume-Uni  Royaume-Uni Pile Daniell
Emil Fischer (1852-1919) Drapeau de l'Allemagne  Allemagne Projection de Fischer Prix Nobel de chimie 1902
Jacobus Henricus van 't Hoff (1852-1911) Drapeau des Pays-Bas  Pays-Bas Cinétique chimique, équilibres chimiques, pression osmotique Prix Nobel de chimie 1901
Frédéric Joliot-Curie (1900-1958)
Irène Joliot-Curie (1897-1956)
Drapeau de la France  France Radioactivité artificielle Prix Nobel de chimie 1935
Friedrich Kekulé von Stradonitz (1829-1896) Drapeau de l'Allemagne  Allemagne Structure cyclique du benzène Médaille Copley 1885
Antoine Lavoisier (1743-1794) Drapeau de la France  France Loi de conservation de la masse
Dmitri Mendeleïev (1834-1907) Drapeau de la Russie  Russie Tableau périodique des éléments
Walther Nernst (1864-1941) Drapeau de l'Allemagne  Allemagne Équation de Nernst, Troisième principe de la thermodynamique Prix Nobel de chimie 1920
Wilhelm Ostwald (1853-1932) Empire russe Catalyse et équilibres chimiques, vitesse de réaction Prix Nobel de chimie 1909
Linus Pauling (1901-1994) Drapeau des États-Unis  États-Unis Théories sur la nature de la liaison chimique Médaille Davy 1947
Ernest Rutherford (1871-1937) Drapeau de la Nouvelle-Zélande  Nouvelle-Zélande Travaux sur la radioactivité, modèle de l' atome compact Prix Nobel de chimie 1908
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