DE L’ALCHIMIE A LA CHIMIE par M André RIO

 

M André RIO
M André RIO

DE L’ALCHIMIE A LA CHIMIE

 

Une courte histoire de la naissance de la chimie garantie sans formules, sauf celle de l’eau, que même les littéraires les plus endurcis ne peuvent plus ignorer.

De quoi est faite la matière ? Est-ce un miracle si une substance se transforme en une autre substance ? Pendant très longtemps, et encore maintenant pour beaucoup de nos contemporains, c’est quelque chose d’incompréhensible.

Il y a de bons et de mauvais miracles. Quand une graine germe, quand une plante, une bête, un homme se nourrit et transforme sa nourriture en sa propre matière, c’est un bon miracle, un cadeau des dieux. Quand de braves gens fabriquent du vin, de la bière, du fromage, de la chaux et bien d’autres choses encore, pour se désaltérer, se nourrir ou bâtir, c’est encore bien.

Mais si des sorciers ou  des alchimistes  dans des réduits obscurs fabriquent des poisons, des orviétans, prétendent faire de l’or par des procédés cabalistiques, c’est évidemment avec l’aide du diable. De toutes ces transformations, les hommes sont incapables par eux-mêmes, et les innombrables formes que peut prendre la matière ne peuvent être changées par des moyens naturels. Que l’eau, les métaux, puissent changer d’état sans changer de nature en fondant ou en se solidifiant, oui, mais transformer un minerai, une terre, en métal ne va pas sans quelque diablerie.

Les anciens philosophes, qui aimaient remplacer les choses par des mots, plus dociles, avaient décrété qu’il existait quatre éléments : la terre, malgré l’extrême diversité de ses composants, l’eau, modèle de l’état liquide, mais aussi l’air, invisible et impalpable, qui ne se manifeste sensiblement que par le vent ou le souffle de la respiration, mais qu’on peut voir se déplacer sous forme de bulles dans l’eau. Plus tard, la question s’est posée de savoir si l’air est pesant, donc matériel, comme les solides et les liquides, et si il n’existe pas plusieurs sortes d’air.

Le quatrième élément, le feu et ses différents aspects : la chaleur, la lumière et l’éclair des orages.

Une autre manière était de distinguer les trois règnes : minéral, végétal et animal.

Il ne parait pas que les penseurs grecs soient allés au delà de leurs cogitations ; ils ont imaginé les atomes, mais ils n’aimaient pas se salir les mains et ils laissaient les réalisations concrètes aux hommes de métier. Ce sont probablement les arabes qui sont passés aux opérations matérielles comme en témoignent les mots en »al » alchimie, alambic, alcool, alcali.

On peut comprendre le fonctionnement d’une horloge en examinant l’enchaînement de ses rouages, mais, contrairement aux actions mécaniques, l’intimité des transformations de la matière ne se voit pas. On constate seulement le résultat.

C’est au début du XVII ème siècle que commence à se constituer une physique véritablement scientifique avec Galilée, puis Newton. Pendant ce temps, la chimie piétine. On ressort la vieille idée d’atomes, mais c’est pour la condamner : Spinoza, disciple de Descartes, démontre  qu’il ne peut exister d’atomes. Ses raisons, traduites en clair, sont que les atomes, insécables par définition, doivent occuper un certain volume pour remplir l’espace, car le  vide est impossible, et s’ils ont un volume, on peut les découper en fragments plus petits, donc ils n’existent pas. Cette démonstration péremptoire et simpliste peut faire sourire à l’age de la  physique quantique.

Chez les Femmes Savantes, Bélise, qui, dans « cette grande lunette à faire peur aux gens », a vu clairement des hommes dans la Lune, a aussi son opinion sur les atomes :

Je m’accommode assez, pour moi, des petits corps

            Mais le vide à souffrir me semble difficile.     

Une science balbutiante commence par rassembler des matériaux avant d’en faire un ensemble cohérent. Elle risque aussi de se laisser influencer pas des idées préconçues dont beaucoup ne survivront pas. Il y a quelques siècles, les penseurs n’étaient pas plus stupides que nous, mais ils étaient imprégnés de croyances religieuses et métaphysiques intransigeantes. et les alchimistes se distinguaient des chimistes parce que  les premiers faisaient davantage appel au surnaturel pour interpréter leurs observations. Les tâtonnements des uns et des autres ont cependant abouti à une somme de connaissances et de recettes empiriques. Ils ont reconnu un grand nombre de substances aux noms évocateurs : esprit de vin ; esprit de sel ; huile de vitriol ; vitriol vert ; vitriol bleu, et toutes sortes de sels comme le salpêtre ou nitre. Ils utilisaient beaucoup le soufre, le mercure ou vif argent (quecksilber en allemand) ; ils connaissaient l’arsenic, l’antimoine, plusieurs métaux dont quelques uns étaient curieusement associés aux planètes et aux dieux de l’Iliade. L’un d’eux, Brandt, découvre le phosphore.

Le matériel, fourneaux à charbon de bois, creusets, cornues, mortiers, alambics, ne permet pas d’opérations précises. Si l’on se sert de balances, on ne sait pas mesurer précisément la température, notion confondue avec celle de chaleur, et on se contente d’appréciations vagues, tiède, bouillant, rouge sombre, rouge cerise, trop imprécises pour faire des opérations reproductibles.

Le grand Newton lui même s’est empêtré dans l’alchimie ; il y a consacré vainement beaucoup de temps et d’efforts en cherchant à interpréter l’affinité des corps qui réagissent par l’attraction universelle qui commande le mouvement des astres ; Le temps n’était pas mûr, les idées inadaptées ;  la chimie n’a véritablement pris naissance que près de deux siècles après la physique, et il y a fallu une révolution des concepts, celle de Lavoisier, malheureuse victime d’une autre révolution, celle de la Terreur.

Quelques uns de ses prédécesseurs immédiats ou de ses contemporains avaient apporté des résultats essentiels : Scheele avait découvert le chlore et quelques composés nouveaux dont l’acide prussique (acide cyanhydrique). Cavendish avait montré que la combustion de l’air inflammable (l’hydrogène) avec l’air déphlogistiqué ou air vital (l’oxygène) découvert simultanément par Priestley, donnait de l’eau, mais il interprétait ce résultat au moyen d’une théorie erronée. A l’époque en effet, une théorie dominait, celle du phlogistique. Les « terres » comme la terre, c’est à dire la chaux, l’alumine, la silice, étaient considérées comme des éléments, ainsi que les minerais dont provenaient les métaux. On pensait qu’un métal s’obtenait par combinaison de la terre correspondante avec un élément hypothétique, le phlogistique, et que s’il s’altérait à l’air, c’est qu’il perdait son phlogistique. La difficulté était  que cette perte s’accompagnait d’une augmentation de poids.

Lavoisier, riche amateur éclairé, n’était pas un universitaire mais un fermier général, c’est à dire un collecteur d’impôts, métier très impopulaire qui lui sera fatal.

Il utilise systématiquement la balance pour peser les corps  entrant en réaction et les produits qui en résultent et s’assure que la masse totale ne change pas : rien ne se perd, rien ne se crée ; brûler un élément comme le soufre n’est pas le détruire mais le transformer en une autre substance.

Dans une expérience fondamentale, il isole un volume d’air au contact de mercure chauffé qui se recouvre progressivement d’une poudre jaune. Après refroidissement, il constate que le volume s’est réduit d’un cinquième et que le résidu gazeux est tout à fait inerte : c’est de l’azote. La poudre, rassemblée et pesée, est décomposée par la chaleur, libérant le mercure et un gaz, de l’oxygène pur, correspondant au volume d’air disparu.

L’interprétation est claire : l’air est un mélange de quatre parties d’azote inerte, (d’où son nom signifiant qu’il n’entretient pas la vie ; stickstoff en allemand a le même sens) et une partie d’oxygène capable de s’unir aux métaux pour donner des oxydes ; la masse de l’oxyde est la somme de celles du métal et de l’oxygène.

Par la suite, il montre que l’eau n’est pas un élément mais une combinaison d’hydrogène (générateur d’eau ; l’allemand wasserstoff et le russe vodorod ont le même sens) et d’oxygène, reproduisant avec rigueur et réinterprétant correctement cette fois l’expérience de Cavendish.      De la même façon, le soufre, le phosphore, le charbon, brûlent dans l’air ou dans l’oxygène pour donner des composés qui dans l’eau ont un caractère acide : saveur (on ne craint pas de goûter les produits) changement de couleur de certaines substances végétales comme le sirop de violettes couramment utilisé, action sur les métaux et les alcalis donnant des sels.

L’appellation d’oxygène qui signifie générateur d’acides est le résultat d’une équivoque. Lavoisier considère qu’un acide résulte d’une combinaison avec l’oxygène (l’allemand sauerstoff et le russe kislorod ont le même sens). Il pense que l’acide muriatique (aujourd’hui chlorhydrique) et le chlore sont des composes oxygénés d’un élément inconnu. En réalité le chlore est un élément et l’acide chlorhydrique ne renferme pas d’oxygène ; c’est l’ion hydrogène qui apporte le caractère acide. L’erreur sera vite corrigée, mais seulement après la mort tragique de Lavoisier, et l’oxygène a gardé son nom.

L’azote, très peu réactif, n’est cependant pas inerte. Lavoisier sait que le nitre ou salpêtre en contient, d’où son nom de nitrogen en anglais, de même que l’eau forte, c’est à dire l’acide nitrique ou azotique, et aussi l’ammoniac ou alcali volatile, composé d’azote et d’hydrogène, et il en déduit à tort que les alcalis fixes, soude et potasse, pourraient être des composés azotés.

Il comprend aussi que la respiration est le résultat d’une oxydation : les êtres vivants absorbent l’oxygène de l’air et rejettent le gaz carbonique provenant de l’oxydation du carbone contenu dans les aliments.

Tous ces résultats  permettent à Lavoisier d’esquisser une liste de la trentaine d’éléments connus ou supposés à son époque. On considère comme élément toute substance dont on ne peut retirer rien d’autre. Avec une quinzaine de métaux, on y trouve l’hydrogène, le carbone, l’azote, l’oxygène, le soufre, le phosphore, l’arsenic et l’antimoine. Le chlore, pourtant connu, n’y figure pas. On y trouve par contre des « terres » : silice, alumine, magnésie, chaux, baryte, dont les éléments véritables ne sont pas encore connus, pas plus que les métaux alcalins, sodium et potassium. On s’étonne d’y trouver la lumière et la

chaleur, qui participent aux réactions mais qui n’ont pas de masse. Lavoisier considère que lumière et chaleur s’associent aux autres éléments et peuvent être libérés par la décomposition des substances qui les renferment.

Enfin, Lavoisier et ses disciples créent la première ébauche d’une nomenclature rationnelle qui remplace les appellations traditionnelles par des termes moins pittoresques mais qui expriment la nature des composés. C’est ainsi que l’huile de vitriol devient acide sulfurique, l’eau forte acide nitrique ou azotique, leurs sels des sulfates et des nitrates

Avant de disparaître, Lavoisier laisse à ses successeurs l’ébauche d’une science enfin cohérente : toute substance définie est soit un élément indestructible, soit une combinaison d’éléments ; il n’existe qu’un petit nombre d’éléments ; les combinaisons sont innombrables. La masse des éléments se conserve dans les associations qu’ils forment. Les techniques fondamentales  de la chimie sont l’analyse, décomposition d’une substance en ses éléments, et la synthèse, opération inverse qui permet de les recréer. A l’époque, les moyens sont encore très limités : la matière vivante en particulier, souvent très compliquée, et les composés dits organiques ne seront maîtrisés que beaucoup plus tard.

Dans les années qui suivent, dés le début du XIXème siècle, la voie ouverte par Lavoisier permet des progrès rapides. Grâce en particulier à la pile de Volta, premier générateur de courant électrique, et à l’électrolyse, Davy isole le sodium et le potassium, éléments des alcalis fixes. Ceux des « terres », aluminium, magnésium, calcium, baryum, silicium, sont isolés. Le chlore est reconnu comme élément ; le brome et l’iode, aux propriétés voisines, sont découverts.

On recommence à parler d’atomes, mais cette fois en s’appuyant sur des données concrètes. La balance est devenue l’instrument essentiel de la chimie, et l’on constate que les éléments s’unissent toujours selon des proportions définies. On peut mélanger l’eau et l’alcool, l’oxygène et l’hydrogène en proportions quelconques et chaque composant garde son identité, mais une combinaison, qui se fait souvent avec un dégagement de chaleur important, donne une substance complètement différente de ses constituants. Une étincelle suffit  pour provoquer la réaction de l’oxygène avec l’hydrogène, et l’eau formée renferme toujours                 1 gramme d’hydrogène pour 8 grammes d’oxygène, soit 2 volumes d’hydrogène pour             1 volume d’oxygène. Cette constatation suggère que les éléments sont constitués de particules, les atomes, qui s’unissent un à un, un à deux et ainsi de suite par quantités entières pour former des molécules.

Mais une équivoque surgit aussitôt et elle va entraîner une querelle violente pendant un siècle . Doit-on considérer seulement le rapport des masses ou aussi celui des volumes ? Doit on admettre que les atomes existent réellement ou que c’est une abstraction métaphysique ? Avogadro avance une hypothèse audacieuse : des volumes égaux de gaz renfermeraient le même nombre de molécules. La molécule d’eau serait donc constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Les adversaires objectent que l’hypothèse atomique est invérifiable. On n’a aucun moyen par exemple de savoir combien d’atomes seraient contenus dans un gramme d’hydrogène, quelle est leur masse, leur volume. Leur unité, c’est l’équivalent : un gramme pour l’hydrogène, huit grammes pour l’oxygène, et ainsi de suite pour les autres éléments.

Pour les atomistes, la masse atomique c’est un gramme pour l’hydrogène, mais 16 grammes pour l’oxygène à cause du rapport des volumes. On a convenu de représenter les éléments par des symboles. Tous utilisent les mêmes mais divergent sur les masses à leur attribuer et sur la façon de noter les molécules : l’eau doit-elle s’écrire HO ou HO ?

La querelle se poursuit, mais les progrès continuent. Les méthodes d’analyse se perfectionnent. On peut s’attaquer aux matières organiques, déterminer leur composition. On pensait que seuls les êtres vivants pouvaient les produire quand on apprend par la synthèse fortuite de l’urée qu’on peut les reproduire  artificiellement à partir de composés minéraux. Berthelot, pionnier de la chimie organique et farouche adversaire des atomes, synthétise l’acétylène, l’alcool et d’autres substances encore.

De nouveaux éléments sont découverts. On a constaté qu’ils forment des familles aux propriétés voisines : chlore, brome et iode d’une part, sodium et potassium d’autre part, se ressemblent. Ces ressemblances manifestent-elles une filiation cachée ? La réponse viendra plus tard. Mendéléiev propose une classification où les éléments alors connus sont rangés en lignes et en colonnes par masses atomiques croissantes, ce qui fait apparaître dans une même colonne les éléments apparentés, d’où son nom de classification périodique.

La classification est accueillie avec scepticisme ou même avec ironie, mais elle s’impose peu à peu ; elle a laissé des places vides parmi la soixantaine d’éléments qu’elle contient, et ces places sont progressivement comblées par la découverte des nouveaux éléments ; une nouvelle famille apparaît, celle des gaz dits rares : hélium, argon …,

Cependant, les équivalentistes restent majoritaires, en particulier en France avec Berthelot, grand pontife de la chimie organique. C’est pourtant la chimie organique qui va faire apparaître l’insuffisance de la notation par les équivalents, qui ne tient compte que de la composition globale des molécules. Pendant qu’en France la querelle s’éternise, en Allemagne une industrie des colorants synthétiques prend naissance. D’abord empirique, elle parvient bientôt à reproduire par synthèse des colorants d’origine végétale, l’alizarine ou rouge turc et l’indigo, et une foule de colorants artificiels d’emploi beaucoup plus facile.

Si les équivalents suffisent pour représenter des molécules simples, ce n’est plus possible avec les colorants, les sucres et bien d’autres substances. A une même formule brute peuvent correspondre plusieurs molécules ayant des propriétés ou des couleurs différentes, et pour les représenter, il faut faire intervenir non seulement la composition globale mais aussi la structure géométrique et l’arrangement des atomes qui les constituent. L’Allemagne prend ainsi une avance considérable sur la France.

Au début du vingtième siècle, les atomes s’imposent enfin définitivement. Par une série de mesures délicates, on parvient enfin à déterminer le nombre d’Avogadro, c’est à dire le nombre d’atomes contenus dans un gramme d’hydrogène. Ce nombre est énorme :

N = 6,O2. 1023

soit six cent mille milliards de milliards.

Rapidement les preuves s’accumulent, mais si les atomes s’imposent, on s’aperçoit bientôt que, loin d’être indivisibles, ils sont en réalité un assemblage de particules élémentaires, protons, neutrons et électrons, mais ceci est une autre histoire.

  1. Brandt découvre le phosphore.
  1. Naissance de Lavoisier.
  1. L’azote, découvert par Rutherford, est identifié par Priestley sous le nom de gaz phlogistiqué.

Priestley découvre l’oxygène , air vital ou air déphlogistiqué.

  1. Lavoisier établit la composition de l’air.
  1. Scheele découvre le chlore.
  1. Cavendish identifie l’hydrogène, déjà connu des alchimistes sous le nom d’air inflammable.
  1. Cavendish réalise la synthèse de l’eau.
  1. Lavoisier publie son Traité élémentaire de Chimie avec sa liste des éléments.
  1. Leblanc met au point son procédé de fabrication de la soude.
  1. Mort de Lavoisier.
  1. La pile de Volta.
  1. Davy isole le sodium et le potassium.
  1. Davy isole le calcium et le baryum.
  1. Gay-Lussac et Thénard découvrent le bore.
  1. Courtois découvre l’iode.
  1. Hypothèse d’Avogadro.
  1. Berzélius isole le silicium.
  1. Balard découvre le brome.
  1. Wöhler obtient l’aluminium.
  1. Berzélius établit une table des équivalents et représente les éléments par des symboles.
  1. Mendéléiev propose sa classification périodique des éléments.
  1. Moissan isole le fluor.
  1. Rayleigh et Ramsay découvrent l’argon.
  1. Ramsay découvre l’hélium.

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