La naissance difficile de la chimie par M André RIO

M André RIO
M André RIO

La naissance difficile de la chimie

Les plantes prennent leur nourriture dans leur environnement et la transforment en leur propre substance. Les animaux, qui n’ont pas ce pouvoir, se nourrissent de plantes ou d’autres animaux qu’ils transforment eux-mêmes en leurs propres matières. Tout ce qui a vécu se décompose ou sert à son tour de nourriture. Le bois brûle et laisse de la fumée et des cendres. Presque toutes ces transformations sont irréversibles. Si l’on ne se satisfait pas d’explications surnaturelles, on peut penser que la matière est faite d’un petit nombre d’éléments qui peuvent s’associer pour donner toute la variété illimitée des substances existantes.
C’est ce qu’ont imaginé les philosophes grecs, mais ce n’est que bien plus tard qu’on a pu reconnaître les véritables éléments. Deux écoles s’opposaient : celle d’Aristote (- 384- 322 ) pour qui la matière était divisible à l’infini, et celle des atomistes qui supposaient que les éléments étaient formés de particules insécables et éternelles, les atomes. C’était l’opinion de Démocrite (- 460 –370 ) , d’Epicure ( -344 –270 ) et de Lucrèce (- 95- 53 ) , mais c’est la philosophie d’Aristote qui s’est imposée à la pensée occidentale et l’a fourvoyée dans une impasse dont elle a eu beaucoup de peine à se dégager. L’existence des atomes longtemps hypothétique n’a commencé à se préciser qu’au début du dix neuvième siècle et n’a été définitivement établie qu’au début du vingtième. Le monde entier en connaît maintenant les conséquences

Les éléments.

Si les éléments d’Aristote , l’air, l’eau, la terre et le feu, ne sont pas des éléments, on connaît depuis bien longtemps le charbon, carbone impur, le soufre des volcans, un certain nombre de métaux : cuivre, étain, fer, plomb, mercure, argent et or, ainsi que l’arsenic et l’antimoine, le phosphore obtenu par Brandt en 1662, qui a surpris par sa luminescence au contact de l’air (qui n’est pas de la phosphorescence ou fluorescence retardée) . Les vers luisants aussi sont luminescents, mais par un autre mécanisme.
Au dix huitième siècle, la chimie est encore empirique et peine à se dégager d’Aristote. L’air et l’eau, substances homogènes, sont encore tenus pour des éléments, mais la terre est visiblement hétérogène et composée de nombreuses substances et peut difficilement être considérée comme un élément, à moins de la considérer comme le symbole de l’état solide. On y distingue différentes « terres » comme la chaux, l’alumine, la silice, la magnésie et la baryte, et les minerais dont on extrait les différents métaux. Quant au feu, ce n’est pas une substance matérielle mais un phénomène dynamique et irréversible qui produit lumière et chaleur, qui ne sont pas non plus de la matière.

 

Les gaz.

On s ‘est rendu compte peu à peu qu’il existait des substances qui n’étaient pas de l’air tout en ayant certaines propriétés communes. Ils ne se manipulent pas aussi facilement que les liquides et la plupart son invisibles. Le gaz carbonique, dans lequel une flamme s’éteint a été identifié en 1648. Au dix huitième siècle, une série d’autres gaz sont découverts : l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le chlore, l’acide cyanhydrique et les oxydes d’azote.
Le phlogistique.
Une théorie erronée compromet le progrès. Imaginée par Stahl, elle est inspirée de la philosophie d’Aristote : les terres dont on extrait les métaux sont des éléments et les métaux sont des combinaisons de ces terres avec le phlogistique. Exposés à l’air et à la chaleur, les métaux perdent leur phlogistique et redeviennent des terres. L’eau, étant un élément, agit sur les métaux en libérant le phlogistique et les terres laisse un composé d’eau et de phlogistique.
Le défaut fondamental de cette théorie est que le phlogistique devrait avoir une masse négative : le métal pèse moins que la terre qui lui est associée. C’est à Lavoisier que l’on doit d’avoir rejeté cette conséquence de la philosophie d’Aristote.
Lavoisier, (1749-1794).
Au dix huitième siècle, quelques chimistes ouvrent la voie à une nouvelle chimie : Scheele (1742-1786) découvre le chlore en 1771. Priestley (1733-1804) l’oxygène et Cavendish (1731-1810) l’hydrogène. Ils ont contribué à la découverte de la composition de l’air et de l’eau, mais c’est Lavoisier qui a abandonné le phlogistique et reconnu que l’oxygène, l’hydrogène et l’azote sont les véritables éléments et que les »terres » sont en réalité des composés d’oxygène et de métal. Son expérience la plus célèbre est l’analyse de l’air par laquelle il démontre qu’il s’agit d’un mélange de 80% d’azote et de 20% d’oxygène. Par l’emploi de la balance, il peut établir un bilan des réactions chimiques et montre que la masse totale est conservée : rien ne se perd, rien ne se crée si tout se transforme, et il confirme un résultat de Cavendish : l’eau est une combinaison d’oxygène et d’hydrogène dans laquelle les composants gazeux donnent un composé liquide aux propriétés complètement différentes.
Dans l’expérience de l’analyse de l’air, il a montré qu’un métal chauffé en présence d’air, le mercure, se combine à l’oxygène pour donner un oxyde, une poudre jaune , qui se décompose à une température plus élevée en libérant l’oxygène et le mercure liquide. La plupart des métaux sont également oxydables.

Les éléments.

Rassemblant tous les éléments connus à l’époque, Lavoisier tente de les classer, mais l’entreprise est encore prématurée. Si l’on y trouve bien tous les métaux connus et les éléments non métalliques : hydrogène, azote, oxygène, soufre, phosphore, carbone, y figurent aussi les « terres », oxydes de métaux encore inconnus, et il y manque le chlore pourtant déjà connu, mas qu’il considère comme le composé oxygéné d’un élément inconnu. Plus surprenant encore, y figurent la lumière et la chaleur, réminiscence du feu d’Aristote. Sa fin prématurée et brutale ne lui a pas permis de rectifier ces erreurs, ce que ses survivants du début du dix neuvième siècle ont rapidement mené à bien.
Lavoisier n’avait fait qu’ébaucher une science encore balbutiante, mais il avait montré la voie à ses contemporains et à ses successeurs : qu’étaient ces terres qui rappelaient Aristote, ces alcalis qui donnaient des sels avec les acides, la lumière et la chaleur, le feu d’Aristote ; qu’est ce qui liait les éléments pour former des composés complètement différents ?
Il a fallu une technique nouvelle, l’électrolyse, pour libérer des éléments encore inconnus : sodium, potassium, magnésium, calcium, aluminium. D’autres éléments non métalliques sont découverts : l’iode, le brome, le bore, le silicium.
En 1815, Berzelius crée la nomenclature encore utilisée qui représente les éléments par des symboles.
Les lois fondamentales et le début d’une longue querelle.
Les éléments se combinent toujours selon des proportions bien définies : 2 grammes d’hydrogène se lient à 16 grammes d’oxygène pour donner 18 grammes d’eau. Il en est de même pour les volumes gazeux : un volume d’azote et 3 volumes d’hydrogène donnent 2 volumes d’ammoniac, d’où l’hypothèse d’Avogadro : un volume donné renferme toujours le même nombre de molécules quelle qui soit sa masse. Ces données laissent supposer que les éléments sont constitués d’unités distinctes, d’atomes, qui s’associent en molécules. Si les plus audacieux en sont convaincus, les plus prudents ne veulent pas admettre leur existence encore hypothétique inspirée par des élucubrations métaphysiques suspectes d’un manque d’esprit critique. Ils s’en tiennent à la notion d’équivalent qui ne présage en rien de leur nature et ne tient compte que des proportions des masses qui s’unissent. On peut ainsi accorder à chaque élément une masse en prenant par exemple pour l’hydrogène la masse de 1 gramme dont on déduit toutes les autres, ce qui met provisoirement d’accord atomistes et équivalentistes, mais les uns attribuent à l’eau la formule H2O et les autres HO. L’existence réelle des atomes ne sera établie que quand on aura répondu à la question : combien d’atomes dans un gramme d’hydrogène, soit le nombre d’Avogadro.

La classification périodique.

Au cours du dix neuvième siècle, de nouveaux éléments ont été découverts. En 1861, Mendeleïev propose sa classification qui les range par masses atomiques croissantes et par colonnes qui font apparaître l’existence de familles comme celles des métaux alcalins et des halogènes aux propriétés voisines. Quelques cases restaient encore vides car on ne connaissait à cette date qu’une soixantaine d’éléments, et les nouveaux venus y ont trouvé leur place. La querelle des équivalents n’en continuait pas moins, et ce n’est qu au début du vingtième siècle que l’existence des atomes sera définitivement établie, grâce en particulier à l’étude du mouvement brownien dont Einstein avait établi la théorie confirmée expérimentalement par Perrin en 1908, et à diverses autres techniques qui ont permis de déterminer le nombre d’Avogadro N = 6,02.1023 .
La chimie organique et la géométrie des molécules.
On avait cru qu’il était impossible de reproduire artificiellement les substances d’origine biologique jusqu’à ce que Wöhler synthétise par hasard l’urée en 1826. Berthelot, ( 1827-1907) considéré comme le père de la chimie organique, c’est à dire la chimie du carbone, était un adversaire résolu de l’existence des atomes. Il avait réalisé en particulier la synthèse de l’alcool éthylique, mais il classait les composés carbonés uniquement par leur composition globale ( Cn H2n+2 , Cn H2n , Cn H2n-2, etc.), vite insuffisante pour rendre compte de leur variété illimitée comportant des structures linéaires, ramifiées ou cycliques , de la nature des liaisons qui unissent les atomes et de leur valence, c’est à dire du nombre de liaisons qu’ils peuvent former, une seule pour l’hydrogène, 4 pour le carbone, 3 ou 5 pour l’azote, 2 ou 4 pour l’oxygène, etc, ces liaisons pouvant être simples, doubles ou triples . C’est ainsi que Kekulé (1829 – 1896 ) avait imaginé la forme cyclique de la molécule de benzène
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Une autre caractéristique de la chimie organique, c’est une chimie des températures modérées, avec une variété de liaisons des plus fortes au plus faibles qui permet une grande variété de réactions.

Les isomères.

Il existe des substances qui ont la même composition mais dont les atomes sont disposés différemment, ce qui entraîne des propriétés différentes. On connaît par exemple 3 dichlorobenzènes, ainsi que 2 acides , maléique et fumarique, qui ne diffèrent que par la répartition des liaisons de part et d’autre d’une double liaison. Dans le cas de l’acide tartrique, étudié par Pasteur, il en existe 3 formes : une symétrique et 2 asymétriques, droite et gauche. Les molécules d’origine biologique sont souvent asymétriques : les acides aminés constituants des protéines sont tous gauches et la plupart des sucres droits.
La chimie et les électrons.
C’est la mise en commun d’électrons entre deux atomes qui assure leur liaison : 2 électrons pour une liaison simple, 4 pour une liaison double, 6 pour une liaison triple. Une réaction chimique est le résultat d’une rupture de liaison et d’un réarrangement par d’autres liaisons. Il existe deux mécanismes, l’un ionique où les fragments après rupture des ions, portent une charge électrique, c’est le plus fréquent en chimie organique, et un mécanisme radicalaire où les fragments sont électriquement neutres mais comportent des couches électroniques incomplètes. C’est par exemple le cas de la décomposition de composés peroxydés et de la polymérisation de composés comportant une liaison double comme le styrène ou le chlorure de vinyle.
La chimie du silicium.
La chimie organique, chimie des composés carbonés, est beaucoup plus riche que celle de tous les autres éléments, grâce à la propriété du carbone de former une variété illimitée de molécules. Il existe cependant une chimie très riche, celle du silicium, qui ne comporte pas de liaisons Si – Si, très instables, mais des liaisons Si – O – Si très stables qui existent dans la silice et une grande variété de silicates parmi lesquelles les structures linéaires de l’amiante et des silicones, planes dans le mica et tridimensionnelles dans la plupart des autres minéraux. Contrairement à la chimie du carbone, c’est une chimie des hautes températures comportant des structures amorphes comme le verre ou le plus souvent cristallines.
La chimie macromoléculaire.
Au début du vingtième siècle, on n’imaginait pas qu’il puisse exister des molécules comportant plus de quelques dizaines d’atomes. Staudinger a montré en 1920 que la cellulose était constituée de très longues chaînes d’atomes. On a vite réalisé qu’on pouvait réaliser des molécules géantes par des mécanismes radicalaires ou ioniques, ce qui a permis lz développement des matières plastiques, des élastomères et des fibres synthétiques.

Les techniques d’analyse.

Comment peut-on établir la structure d’une molécule ? L’analyse élémentaire détermine les proportions des éléments qui la composent ; la microanalyse permet d’opérer sur un échantillon de l’ordre du milligramme. Les techniques spectroscopiques : infra rouge, résonance magnétique nucléaire, spectres de rayons x, contribuent à la détermination de la géométrie de la molécule.
En conclusion,
La chimie est inconcevable sans l’existence des atomes, mais il a fallu longtemps pour s’en assurer.

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