Un peu de chimie 

Histoire de la chimie

 

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L'histoire de la chimie commence dans la nuit des temps.

 Antérieurement à 1000 avant J. C., de nombreux peuples utilisaient des  techniques qui allaient constituer la base des diverses branches de la chimie. Citons comme exemples : l'exploitation de minerais pour produire des métaux, la fermentation de la bière et du vin, l'extraction de produits chimiques à partir de la végétation pour la médecine et les parfums, la transformation de la  graisse en savon, la poterie et la glaçure, la fabrication du verre et la fabrication d’alliage comme le bronze.

La proto-science de la chimie, l'alchimie, n'expliqua pas la matière et ses transformations, mais fut utile parce qu’en effectuant des expériences et en enregistrant les résultats, les alchimistes préparèrent le terrain pour la chimie moderne. Une séparation claire commença à être faite entre la chimie et l'alchimie par Robert Boyle dans son travail Le Chymist Sceptique (1661). Bien que l'alchimie et la chimie s’occupent de la matière et de ses transformations, les chimistes se distinguent par l’application de la méthode scientifique à leur travail.

On considère que la chimie est  devenue une science  avec les travaux d'Antoine Lavoisier qui a développé une loi de conservation de la masse qui exigeait la mesure minutieuse et l’observation quantitative des phénomènes chimiques. L'histoire de la chimie est liée à l'histoire de la thermodynamique, en particulier grâce aux travaux de Willard Gibbs.

Première métallurgie

L'Âge de bronze

Certains métaux peuvent être récupérés à partir de leurs minerais par simple chauffage ou fusion des roches : notamment l'étain, le plomb et (à une température plus élevée) le cuivre. La première trace de cette extraction date de la métallurgie des 5e et 6e millénaire avant J. C. et fut trouvée dans les sites archéologiques de Majdanpek, Yarmovac et Plocnik, tous les trois en Serbie. À ce jour,  on trouve les premiers exemples de fusion  du cuivre sur le site Belovod. Parmi les objets trouvés, il y a une  hache de cuivre antérieure à  5500 avant J. C. appartenant à la culture de Vinca. Il y a d’autres traces des premières métallurgies, à partir du troisième millénaire avant notre ère, dans des lieux comme Palmela (Portugal), Los Millares (Espagne), et Stonehenge (Royaume-Uni). Cependant, comme cela arrive souvent dans l'étude des temps préhistoriques, les débuts ne peuvent pas être clairement définies.

 En combinant le cuivre et l'étain, on obtient un métal de qualité supérieure : un alliage appelé bronze, c’est une activité technologique majeur qui a initié l'âge du bronze à environ 3500 av. J. C. L'âge du bronze fut une des périodes du développement culturel humain.  Le travail des métaux les plus avancés (au moins dans l'utilisation systématique et généralisée) comprit les techniques de fusion de cuivre et de l'étain à partir d'affleurements de minerais de cuivre d'origine naturelle, puis la fusion de ces minerais en bronze coulé. Ces minerais naturels comprenaient  généralement l'arsenic comme une impureté commune. Les minerais de cuivre / étain sont rares, comme en témoigne le fait qu'il n'y ait pas de bronzes d'étain dans l'ouest de l’Asie avant 3000 av.  J .C.

Après l'âge de bronze, l'histoire de la métallurgie a été marquée par la recherche de la  meilleure arme. Les pays de l’Eurasie ont prospéré quand ils ont pu fabriquer les alliages supérieurs qui font de meilleures armes et décident  souvent les résultats des batailles. Des progrès significatifs dans la métallurgie et l'alchimie a été faits en Inde ancienne .

 L’âge du fer

L'extraction du fer de son minerai pour obtenir un métal qui peut être travaillé est beaucoup plus difficile que celle du cuivre ou de l'étain. Elle semble avoir été inventée par les Hittites environ 1200 avant J.C., au début de l'âge du fer. Le secret de l'extraction et du travail du fer a été un facteur clé dans le succès des Philistins.

En d'autres termes, l'âge du fer correspond à l'avènement de la sidérurgie. Les développements historiques de l’évolution de la sidérurgie peuvent être trouvés dans une grande variété de cultures et de civilisations. Cela inclut les anciens royaumes médiévaux et les empires du Moyen-Orient et Proche-Orient, l'Iran antique,  l'ancienne Egypte, l’ancienne Nubie,  l'Anatolie (Turquie),   l’ancienne  culture Nok, Carthage, les Grecs et les Romains de l'Europe ancienne , l'Europe médiévale, la Chine médiévale, l’Inde antique , le Japon antique et médiéval, entre autres. De nombreuses applications, des pratiques et des dispositifs associés ou utilisés en métallurgie ont été établis en Chine ancienne, comme l'innovation du haut-fourneau, la  fonte, le martinet  hydraulique  et  le soufflet à piston.

Antiquité classique et l'atomisme

On fit des tentatives philosophiques de comprendre pourquoi différentes substances ont des propriétés différentes (couleur, densité, odeur), existent dans différents états (gazeux, liquides et solides)  et réagissent de manières différentes lorsqu'ils sont  mis dans des milieux différents  par exemple dans l'eau ou le feu ou aux changements de températures. Ces tentatives   conduisirent les  anciens philosophes à développer les premières théories sur la nature et la chimie. L'histoire de ces théories philosophiques qui se rapportent à la chimie peut probablement faire remonter aux premières civilisations. L'aspect commun à toutes ces théories est la tentative d'identifier un petit nombre de quatre éléments primaires qui composeraient  toutes les substances de la nature. Des substances comme l'air, l'eau et le sol / terre, des formes d'énergie, comme le feu et la lumière et des concepts plus abstraits tels que l'éther et le ciel se retrouvent toutes les anciennes civilisations, même en absence de toute influence l’une sur l’autre; par exemple  les grecs, les indiens, les mayas et les anciennes philosophies chinoises considéraient tous  l’air, l’eau, la  terre et le feu comme éléments primaires.

Monde ancien

Vers 420 avant JC, Empédocle déclara que toute la matière est composée de quatre substances élémentaires : la terre, le feu, l'air et l'eau. Les premières théories atomiques remontent à la Grèce antique et à  l'Inde ancienne. L’atomisme grec remonte au philosophe grec Démocrite, qui, aux environs de 389 av. J. C. a déclaré que la matière est composée d'atomes indivisibles et indestructibles. Leucippus a également déclaré que les atomes étaient la partie la plus indivisible de la matière. Cela a coïncidé avec une déclaration semblable du philosophe indien Kanada dans ses sutras Vaisheshika à la même époque. De la même façon, il a admis l'existence de gaz. Ce que Kanada a prétendu dans la sutra, Démocrite le déclare dans ses  rêveries philosophiques. Ils ont tous les deux  souffert d'un manque de données empiriques. Sans preuve scientifique, l'existence des atomes était facile de nier. Aristote s’opposa à l'existence d'atomes en 330 av. J. C. Plus tôt, en 380 av. J, C, un texte grec attribué à Polybe prétend que le corps humain est composé de quatre humeurs. Autour de 300 avant J. C, Epicure supposa un univers d'atomes indestructibles dans lequel l'homme lui-même est responsable de la réalisation d'une vie équilibrée.

Dans le but d'expliquer la philosophie épicurienne à un public romain, le poète et philosophe romain Lucrèce a écrit De Rerum Natura (The Nature of Things) en  50 av. J.C.. Dans ce travail, Lucrèce présente les principes de l'atomisme; la nature de l'esprit et de l'âme; les explications de la sensation et de la pensée; le développement du monde et de ses phénomènes et explique une variété de phénomènes célestes et terrestres.

Une grande partie du développement précoce des méthodes de purification est décrite par Pline l'Ancien dans son Naturalis Historia. Il a fait des tentatives pour expliquer ces méthodes, ainsi que faire des observations perspicaces de l'état de nombreux minéraux.

Alchimie médiévale

 

Le système élémentaire utilisé dans l'alchimie médiévale a été développé principalement par l'alchimiste perse Jabir Ibn Hayyan et a pris racine dans les éléments classiques de la tradition grecque. Son système était composé des quatre éléments aristotéliciens : l'air, la terre, le feu et l'eau avec , en plus, de deux éléments philosophiques: le soufre, caractérisant le principe de combustibilité :"La pierre qui brûle”, et le mercure, caractérisant le principe de propriétés métalliques. Ces éléments ont été considérés par les premiers alchimistes comme des expressions idéalisées de composants irréductibles de l'univers  et étaient d'une plus grande considération au sein de l'alchimie philosophique.

Paracelse remplace les quatre Éléments (Terre, Eau, Air, Feu) par trois Substances, ou plutôt ajoute le Sel aux deux substances jusqu’alors admises (Soufre et Mercure). Il place les trois Substances dans les quatre Éléments.

La pierre philosophale

 

L’alchimie est définie par la quête hermétique de la pierre philosophale. Son étude est ancrée dans le mysticisme symbolique et elle diffère grandement de la science moderne. Les alchimistes ont travaillé fort pour faire des transformations dans un niveau ésotérique (spirituel) et exotériques. C’étaient des proto-scientifiques. Des aspects exotériques de l'alchimie  ont contribué fortement à l'évolution de la chimie dans l’Égypte gréco-romaine, l'âge d'or islamique , puis en Europe. L’alchimie et la chimie partagent un intérêt pour la composition et les propriétés de la matière et avant le XVIIIe siècle ne sont pas séparés en disciplines distinctes. Le terme Chymie a été utilisé pour décrire le mélange de l'alchimie et de la chimie qui existait avant cette date.

 Les premiers alchimistes occidentaux, qui ont vécu dans les premiers siècles de l'ère chrétienne,  ont inventé un instrument chimique qui nous est resté. C’est le bain-marie, ou bain d'eau qui est appelé ainsi d’après Marie la Juive dont l’oeuvre  donne également  des premières descriptions des tribikos et kérotakis.  Cleopatra l'Alchimiste décrit des fours et a été créditée de l'invention de l'alambic.  Plus tard, le cadre expérimental établi par Jabir ibn Hayyan a influencé les alchimistes lorsque la discipline a migré à travers le monde islamique, puis en Europe au XIIe siècle.

Pendant la Renaissance, l'alchimie exotérique est resté populaire sous la forme d’iatrochimie de Paracelse (chimie-médecine), tandis que l'alchimie spirituelle fleurissait alignée sur ses racines platoniciennes, hermétiques et gnostiques. Par conséquent, la recherche symbolique de la pierre philosophale n'a pas été remplacée par les progrès scientifiques et était encore le domaine des scientifiques et des médecins respectés jusqu'au début du XVIIIe siècle. Des alchimistes plus récents sont réputés par leurs contributions scientifiques dont  Jan Baptist van Helmont, Robert Boyle et Isaac Newton.

Les problèmes rencontrés avec l'alchimie

Du point de vue actuel, il y a plusieurs problèmes avec l'alchimie. Elle n'a pas de système de nomenclature systématique pour les nouveaux composés et le langage est  ésotérique et vague au point que les terminologies signifiaient différentes choses selon la personne. En fait, selon l’Histoire de la chimie de Fontana (Brock, 1992) :

“Les alchimistes  tôt développèrent un vocabulaire technique obscur et secret destiné à dissimuler les informations aux non-initiés. Cette langue est pratiquement incompréhensible pour nous aujourd'hui. Le comte de Chaucer montra le côté plus frauduleux de l'alchimie, en particulier la fabrication de faux ors à partir de substances bon-marchés. Moins d'un siècle plus tôt, Dante Alighierialso fait preuve d'une prise de conscience de cette imposture, envoyant tous les alchimistes en enfer. Peu après, en 1317, le pape d'Avignon Jean XXII ordonna à tous les alchimistes de quitter la France pour avoir  contrefait de la monnaie. Une loi a été adoptée en Angleterre en 1403 qui condamnait à mort celui qui faisait la "multiplication des métaux" . En dépit de ces mesures et d'autres apparemment extrêmes, l'alchimie ne meurt pas. La classe noble et privilégiée a toujours cherché à découvrir la pierre philosophale et l'élixir de vie pour eux-mêmes.

 Il n'y avait  pas de méthode scientifique reconnue pour faire des expériences reproductibles. De nombreux alchimistes ont inclus dans leurs méthodes des informations non pertinentes telles que le calendrier des marées ou les phases de la lune. La nature ésotérique et le vocabulaire codifié de l'alchimie semblait être utile pour dissimuler  leur ignorance. Dès le 14e siècle, les fissures semblaient croître dans la façade de l'alchimie et le scepticisme général augmentait.  Il devenait évident qu’il devait y avoir une méthode scientifique où les expériences pouvaient être répétées par d'autres personnes et que les résultats devaient être présentés dans un langage clair qui montre à la fois ce qui est connu et ce qui est inconnu.

L’alchimie dans le monde islamique

Dans le monde islamique, les œuvres des anciens Grecs et les Égyptiens ont été traduites en arabe et ont été testées avec des idées scientifiques. Le développement de la méthode scientifique moderne pour la chimie fut lent et ardu, mais elle a commencé à émerger parmi les chimistes musulmans en commençant au début du  9e siècle par le chimiste Jabir ibn Hayyan (connu sous le nom "Geber" en Europe), qui est considéré comme « le père de la chimie ». Il a présenté une approche systématique et expérimentale de la recherche scientifique de laboratoire, au contraire des anciens alchimistes grecs et égyptiens dont les œuvres ont été largement allégoriques et souvent inintelligibles. Il a également inventé et nommé l'alambic (al-anbiq), analysé de nombreuses substances chimiques, distingué entre les alcalis et les acides et fabriqué des centaines de médicaments. Il a également affiné la théorie des cinq éléments classiques dans la théorie de sept éléments alchimiques après avoir identifié le mercure et le soufre comme éléments chimiques.

Parmi les autres chimistes musulmans influents, Abu al-Rayhan al-Biruni,  Avicenna  et Al-Kindi ont réfuté les théories de l'alchimie, en particulier la théorie de la transmutation des métaux  et al-Tusi a décrit une version de la conservation de la masse, notant qu'un corps de matière est capable de changer, mais ne peut pas disparaître.  Rhazes a réfuté pour la première fois la théorie d'Aristote des quatre éléments classiques et a mis en place les bases solides de la chimie moderne, en utilisant le laboratoire dans le sens moderne, créant et décrivant de plus de vingt instruments dont de  nombreux sont encore en usage aujourd'hui, comme le creuset, la  cornue de distillation  et divers types de four ou d’étuves.

Pour les praticiens en Europe, l'alchimie est devenue une recherche intellectuelle après que  l'alchimie arabe soit devenue disponible grâce à la traduction latine et, au fil du temps, ils l’ont amélioré. Paracelse (1493-1541), par exemple, a rejeté la théorie des 4-éléments et avec seulement une vague compréhension de ses produits chimiques et des médicaments, a formé un hybride de l'alchimie et de la science dans ce qui allait être appelé iatrochimie. Paracelse n'a pas été parfait dans ses expériences véritablement scientifiques. Par exemple, comme une extension de sa théorie selon laquelle de nouveaux composés pourraient être réalisés en combinant le mercure avec du soufre, il a fait ce qu'il pensait être une “huile de soufre”. C’était en réalité l'éther diméthylique, qui ne contient ni mercure, ni soufre.

17e et 18e siècles: le début de la chimie  

Les tentatives pratiques pour l’amélioration de l'affinage des minerais et l’extraction des métaux fondus  a été une source importante d'information pour les premiers chimistes au 16e siècle, parmi eux, Georg Agricola (1494 à 1555). Son grand ouvrage De re metallica a été publié en 1556,  un an après sa mort.  Son oeuvre décrit les processus d’extraction et d’exploitation de minerais métalliques et une métallurgie hautement développée et complexe. Son approche a enlevé le mysticisme associé au sujet et a créé la base pratique sur laquelle d'autres pourraient construire. Le travail décrit les nombreux types de fours utilisés pour fondre le minerai et a stimulé l'intérêt pour les minéraux et leur composition. Ce n’est pas par hasard qu'il donne de nombreuses références de son prédécesseur Pline l'Ancien et son Naturalis Historia. Agricola a été décrit comme le ” père de la métallurgie".

En 1605, Sir Francis Bacon publia The Proficience and Advancement of Learning qui contient une description de ce qui serait connu plus tard comme la méthode scientifique.  

En 1605, Michael Sendivogius publie le traité alchimique A New Light of Alchemy qui  proposa l'existence de la « nourriture de la vie » au sein de l'air, beaucoup plus tard reconnue comme l'oxygène.

En 1615, Jean Beguin publia le Tyrocinium Chymicum, un manuel de base de chimie  et écrivit la première équation chimique.

 En 1637, René Descartes publie le Discours de la méthode, qui contient un aperçu de la méthode scientifique.

L’oeuvre  du chimiste néerlandais Jan Baptist van Helmont Ortus medicinae fut publié à titre posthume en 1648; le livre est cité par certains comme une œuvre de transition majeure entre l'alchimie et la chimie et ayant une influence importante sur Robert Boyle. Il contient les résultats de nombreuses expériences et établit une première version de la loi de conservation de la masse. Ayant travaillé  juste après Paracelse et l’iatrochimie, Jan Baptist van Helmont a suggéré qu'il existe des substances imaginaires autres que l'air et a inventé un nom pour elles - « gaz », du mot grec chaos . En plus d'introduire le mot « gaz » dans le vocabulaire  scientifique, van Helmont mena plusieurs expériences impliquant des gaz. Jan Baptist van Helmont est aussi connu aujourd'hui en grande partie pour ses idées sur la génération spontanée et son expérience de l'arbre de cinq ans et est aussi considéré comme le fondateur de la chimie pneumatique.

Le chimiste anglo-irlandais  Robert Boyle (1627-1691) est considéré comme ayant affiné la méthode scientifique moderne et d'avoir séparé la chimie  de l'alchimie.  Bien que sa recherche ait clairement ses racines dans la tradition alchimique, Boyle est largement considéré aujourd'hui comme le premier chimiste moderne et donc l'un des fondateurs de la chimie moderne  et l'un des pionniers de la méthode scientifique expérimentale moderne. Bien qu’il n’en soit pas l’auteur, Boyle est surtout connu par la loi de Boyle qu’il présenta en 1662 : la loi décrit la relation inversement proportionnelle entre la pression absolue et le volume d'un gaz, quand la température est maintenue constante au sein du système fermé .

Boyle est également connu  pour sa publication de référence Le Sceptique Chymist en 1661, qui est considéré comme un fondement de la chimie. Dans son travail, Boyle présente son hypothèse que tout phénomène est le résultat de collisions de particules en mouvement. Boyle engagea les chimistes à expérimenter et affirma que ses expériences ont nié la limitation des éléments chimiques à seulement les quatre éléments classiques : la terre, le feu, l'air et l'eau. Il a également plaidé que la chimie devrait cesser d'être subordonnée à la médecine  ou à l'alchimie et gagner le statut de science.  Il préconisa surtout  une approche rigoureuse de l'expérience scientifique : il croyait que toutes les théories devaient être prouvées expérimentalement avant d'être considérée comme vrai. L'ouvrage contient quelques-unes des premières idées modernes d'atomes, de molécules et de réaction chimique et marque le début de l'histoire de la chimie moderne.

Boyle essaya aussi de purifier des produits chimiques pour obtenir des réactions reproductibles. C’était un ardent promoteur de la philosophie mécanique proposée par René Descartes pour expliquer et quantifier les propriétés physiques et les interactions des substances matérielles. Boyle était un atomiste, mais préférait le mot corpuscule pour les atomes. Il ajouta que la plus petite division de la matière où les propriétés sont conservées sont les corpuscules. Il a également effectué de nombreuses expériences avec la pompe à air et a noté que le niveau du mercure s’abaisse quand l'air est pompé. Il a également observé que le pompage de l'air d'un récipient éteint la flamme et  tue les petits animaux placés à l'intérieur. Boyle a aidé à jeter les bases de la révolution chimique avec sa philosophie corpusculaire mécanique. Il a répété l'expérience de l'arbre de van Helmont et a été le premier à utiliser des indicateurs qui changent de couleurs avec l’acidité.

Développement et démantèlement du phlogistique

En 1702, le chimiste allemand Georg Stahl inventa  le nom « phlogistique » pour la substance censée être libérée dans le processus de combustion.

Vers 1735, le chimiste suédois Georg Brandt analysa un pigment bleu foncé trouvé dans le minerai de cuivre. Il  démontra que le pigment contient un nouvel élément, nommé plus tard  cobalt .

En 1751, un chimiste suédois, élève de Stahl, nommé Axel Fredrik Cronstedt, identifia une impureté dans le minerai de cuivre comme élément métallique séparé  qu'il nomma nickel. Cronstedt est l'un des fondateurs de la minéralogie moderne. Il a également découvert  en 1751,  la scheelite minérale  qu'il nomma le tungstène, ce qui signifie « pierre lourde » en suédois.

En 1754, le chimiste écossais Joseph Black isola le dioxyde de carbone, qu'il  appela « air fixe ».

En 1757, Louis Claude Cadet de Gassicourt, alors qu'il enquêtait sur des composés d'arsenic, créa le liquide fumant Cadet, découvert plus tard pour être de l'oxyde cacodyle, considéré comme le premier composé organique synthétique.

En 1758, Joseph Black formula le concept de chaleur latente pour expliquer la thermochimie des changements de phase.

En 1766, le chimiste anglais Henry Cavendish isola l'hydrogène, qu'il appela"air inflammable". Cavendish  le décrivit comme un gaz incolore et inodore qui brûle et peut former un mélange explosif avec l'air et publia un document sur la production d'eau en brûlant l'air inflammable (qui est de l'hydrogène) dans l'air déphlogistifié (maintenant connu pour être de l'oxygène), ce dernier constituant de l'air atmosphérique (théorie du phlogistique)

En 1773, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele découvrit l'oxygène, qu'il a appelé "l'air de feu", mais ne publia pas immédiatement ses résultats.

En 1774, le chimiste anglais Joseph Priestley isola indépendamment  l'oxygène  à l'état gazeux, en l'appelant "air déphlogistiqué ", et publia son travail avant Scheele. Au cours de sa vie, la réputation scientifique considérable de Priestley reposait sur son invention de l'eau gazeuse, ses écrits sur l'électricité et sa découverte de plusieurs" airs "(gaz), le plus célèbre étant  ce que Priestley surnomma "air déphlogistiqué" (oxygène). Cependant, l’obstination de Priestley de défendre la théorie du phlogistique et de rejeter ce qui allait devenir la révolution chimique finalement l’a laissé isolé au sein de la communauté scientifique.

En 1781, Carl Wilhelm Scheele découvrit  qu'un nouvel acide, l'acide tungstique, pourrait être fabriqué à partir de la scheelite de Cronstedt. Scheele et Torbern Bergman suggérèrent qu'il pourrait être possible d'obtenir un nouveau métal en réduisant cet acide.

En 1783, José et Fausto Elhuyar trouvèrent  un acide fabriqué à partir de wolframite qui était identique à l'acide tungstique. Plus tard durant la même année, en Espagne, les frères réussirent  à isoler le métal maintenant connu comme le tungstène par réduction de cet acide avec du charbon et ils furent crédités de la découverte de l'élément.

Volta et la pile voltaïque

Le physicien italien Alessandro Volta construisit un dispositif pour accumuler une charge importante par une série d'inductions et de mise à la terre. Il étudia la découverte de "l'électricité animale» faite en 1780 par Luigi Galvani  et constata que le courant électrique était généré à partir du contact de métaux différents et que la jambe de grenouille a seulement agi comme un détecteur. Volta montra en 1794 que, lorsque deux métaux et du tissu ou de carton imprégné de saumure sont disposés dans un circuit, elles produisent un courant électrique.

En 1800, Volta empila alternativement des plaques de cuivre (ou d’argent) et de zinc séparées par du chiffon imprégné de saumure pour augmenter les contacts. Lorsque les contacts supérieurs et inférieurs  furent  reliés par un fil, un courant électrique passa à travers les plaques et les connections. Ainsi, on attribue à Volta la construit la première batterie produisant de l’électricité. La méthode de Volta d'empiler des plaques rondes de cuivre et de zinc séparés par des disques de carton humidifié avec une solution de sel a été appelée une pile voltaïque.

Ainsi, Volta est considéré comme le fondateur de la discipline de l'électrochimie.  Une cellule galvanique (ou cellule voltaïque) est une cellule électrochimique qui tire l'énergie électrique de la réaction redox spontanée qui se déroule au sein de la cellule. Elle se compose généralement de deux métaux différents, reliés par un pont de sel, ou des demi-cellules individuelles séparées par une membrane poreuse.

Antoine-Laurent de Lavoisier

La chimie moderne a prospéré à partir de d'Antoine-Laurent de Lavoisier, un chimiste français qui est célébré comme le « père de la chimie moderne ». Lavoisier a démontré par des mesures précises que la transmutation de l'eau en terre n'a pas été possible, mais que les sédiments observés à partir de l'eau bouillante proviennent  du récipient. Il brûla du phosphore et du soufre dans l'air et  prouva que les produits obtenus étaient plus lourds que l'original. Néanmoins, le poids gagné provient de l'air. Ainsi, en 1789, il établit la loi de conservation de la masse, qui est aussi appelé “la loi de Lavoisier."

Répétant les expériences de Priestley, il démontra que l'air est composé de deux parties, l'une qui combine avec des métaux pour former des sels. Dans Considérations Générales sur la nature des Acides (1778), il a démontré que l’"air" responsable de la combustion est également la source de l’acidité. L'année suivante, il nomma cette partie oxygène (en grec pour l'acide-ancien), et l'autre azote (grec pas de vie). Lavoisier a donc un droit sur la découverte de l'oxygène ainsi que Priestley et Scheele. Il a également découvert que le "air inflammable" découvert par Cavendish - qu'il appelait l'hydrogène (du grec ancien-eau) - combiné avec l'oxygène pour produire une rosée, comme Priestley l’avait signalé qui semblait être de l'eau. Dans Reflexions sur le phlogistique (1783), Lavoisier a montré que la théorie phlogistique et celle de la combustion sont incompatibles. Mikhail Lomonosov indépendemment  établit une tradition la chimie en Russie au 18e siècle. Lomonosov rejeta également la théorie du phlogistique et prévit la théorie cinétique des gaz. Lomonosov considéra la chaleur comme une forme de mouvement et eu l'idée de la conservation de la matière.

Dans sa Méthode de Nomenclature chimique (1787), Lavoisier  inventa  le système de nomenclature et de classification encore largement utilisé  aujourd'hui, y compris des noms tels que l'acide sulfurique, les sulfates et les sulfites. En 1785, Berthollet fut le premier à introduire l'utilisation du gaz de chlore comme agent de blanchiment commercial. Dans la même année, il  détermina la composition élémentaire de l'ammoniac gazeux. Berthollet  produisit un liquide de blanchiment moderne en 1789 en faisant passer du chlore gazeux à travers une solution de carbonate de sodium - le résultat était une solution diluée d’hypochlorite de sodium. Un autre oxydant de chlore solide qu’il étudia et qu’il fut le premier à produire, le chlorate de potassium (KClO3), est connu comme le sel de Berthollet. Berthollet est également connu pour ses contributions scientifiques à la théorie des équilibres chimiques via le mécanisme des réactions chimiques inverses.

Le Traité Élémentaire de Chimie de Lavoisier de 1789 est le premier manuel chimique moderne et  présente  une vue unifiée des nouvelles théories de la chimie, contient un énoncé clair de la loi de conservation de la masse et nie l'existence du phlogistique. En outre, il contient une liste d'éléments ou de substances qui ne peuvent être décomposés en une autre; cette liste comprenaient l'oxygène, l'azote, l'hydrogène, le phosphore, le mercure, le zinc et le soufre. Cependant, elle  comprend également la lumière et calorique, qu'il croyait être des substances matérielles. Dans son travail, Lavoisier souligna que la chimie est basée sur l’observation, déclarant: «Je l'ai essayé ... pour arriver à la vérité en reliant les faits, de supprimer autant que possible l'utilisation du raisonnement, qui est souvent un instrument fiable qui nous trompe, afin de suivre autant que possible le flambeau de l'observation et de l'expérience ".  Néanmoins, il estimait  que l'existence réelle des atomes était philosophiquement impossible. Lavoisier a démontré que les organismes démontent et reconstituent l'air atmosphérique de la même manière qu’un corps en combustion.

Avec Laplace, Lavoisier utilisa un calorimètre pour mesurer la chaleur dégagée par unité de dioxyde de carbone produit. Ils constatèrent  le même rapport pour une flamme et que pour les  animaux, ce qui indique que les animaux produisent de l'énergie par un type de combustion. Lavoisier croyait à la théorie des radicaux, estimant que les radicaux, qui fonctionnent comme un seul groupe dans une réaction chimique, se combinent avec l'oxygène dans les réactions. Il croyait que tous les acides contenaient l'oxygène. Il a également découvert que le diamant est une forme cristalline de carbone.

Alors que de nombreux partenaires de Lavoisier étaient influents pour promouvoir  la chimie en tant que discipline scientifique, sa femme Marie-Anne Lavoisier fut sans doute la plus influente de tous. Après leur mariage, Mme Lavoisier étudia la chimie, l'anglais et le dessin afin d'aider son mari dans ses travaux soit en traduisant des documents depuis l’anglais, une langue qui Lavoisier ne connaissait pas, ou en tenant les registres et  dessinant  les différents appareils que Lavoisier a utilisé dans ses laboratoires.  Grâce à sa capacité de lire et de traduire des articles de la Grande-Bretagne pour son mari, Lavoisier avait accès à la connaissance de la plupart des progrès chimiques qui se déroulaient à l'extérieur de son laboratoire.  En outre, Mme Lavoisier  tint  des dossiers sur les travaux de Lavoisier et veilla à ce que ses travaux soient  publiés.

19ème siècle

En 1802, le chimiste et industriel américain français Éleuthère Irénée du Pont, qui avait appris la fabrication de la poudre et des explosifs sous Antoine Lavoisier,  fonda une fabrique de poudre dans le Delaware, sur la rivière Brandywine,  connue sous le nom de E. I. du Pont de Nemours and Company. La Révolution française avait forcé sa famille à déménager aux États-Unis. Voulant tirer le meilleur parti possible de la poudre, du Pont était vigilant sur la qualité des matériaux qu'il utilisait. Pendant 32 ans, du Pont a été président de E. I. du Pont de Nemours and Company, qui a fini par devenir l'une des entreprises les plus importantes et les plus prospères en Amérique.

Tout au long du 19e siècle, la chimie a été divisée entre ceux qui ont suivi la théorie atomique de John Dalton et ceux qui ne l’ont pas fait, comme Wilhelm Ostwald et Ernst Mach. Bien que ces partisans de la théorie atomique comme Amedeo Avogadro et  Ludwig Boltzmann aient fait de grandes avances pour expliquer le comportement des gaz, ce différend n'a  été définitivement réglé qu’à la publication, en 1905, de l’explication théorique du mouvement brownien par Einstein, explication confirmée ensuite par les expériences de Jean Perrin.

 Bien avant que le différend n’ait été réglé, beaucoup avaient déjà appliqué le concept de l'atomisme à la chimie. Un exemple important fut la théorie ionique de Svante Arrhenius, qui émit  des idées sur la structure atomique qui n’ont pas été  développées  entièrement avant le 20e siècle. Michael Faraday fut un autre travailleur précoce dont la principale contribution à la chimie fut l’électrochimie, dans laquelle on démontre, entre autres, que pendant l’électrolyse, ou l’électrodéposition  une certaine quantité d'électricité est associée à une certaine quantité d'éléments chimiques. Ces résultats, comme ceux des pressions partielles de Dalton, ont été les premiers indices de la nature atomique de la matière.

John Dalton

En 1803, le météorologiste et chimiste anglais John Dalton a proposé la loi de Dalton, qui décrit la relation  entre les composants dans un mélange de gaz et comment  les  pressions partielles  de  chacun contribue à celle de l'ensemble du mélange.  Découvert en 1801, ce concept est également connu comme la loi des pressions partielles de Dalton..

Dalton a également proposé une théorie moderne atomique en 1803, déclarant que toute la matière était composée de petites particules indivisibles appelées atomes. Les atomes d'un élément donné possèdent des caractéristiques et des poids uniques. Trois types d'atomes existent : simples (éléments),  composés (molécules simples) et complexes (molécules complexes).  En 1808, Dalton publia New System of Chemical Philosophy  un nouveau système de philosophie chimique, dans lequel il expose la première description scientifique moderne de la théorie atomique. Ce travail a identifié chaque élément chimique comme un type spécifique d'atome, rejetant donc la théorie de Newton des affinités chimiques.

Dalton déduit les proportions des éléments dans les composés en prenant les rapports des poids des corps réactionnels utilisant le  poids atomique de l'hydrogène comme unité. Après Jeremias Benjamin Richter (connu pour l'introduction du terme stoechiométrie), il a proposé que les éléments chimiques se combinent dans des rapports entiers. Ceci est connu comme la loi des proportions multiples ou la loi de Dalton qui inclut une description claire de cette loi dans son  New System of Chemical Philosophy. La loi des proportions multiples est l'une des lois fondamentales de la stoechiométrie utilisées pour établir la théorie atomique. En dépit de l'importance du travail qui montra les atomes comme des entités physiquement réelles et l’introduction d'un système de symboles chimiques,  New System of Chemical Philosophy   consacrait  presque autant d'espace à la théorie du calorique qu’à l'atomisme.

Sur la base de plusieurs expériences menées entre 1797 et 1801, le chimiste français Joseph Proust  proposa  la loi des proportions définies, qui stipule que les éléments se combinent toujours dans de petits rapports de nombres entiers pour former des composés. Parallèlement à la loi des proportions multiples, la loi des proportions définies constitue la base de la stoechiométrie. La loi des proportions définies et composition constante ne prouve pas que les atomes existent, mais elle est  difficile à expliquer sans supposer que les composés chimiques sont formés lorsque les atomes se combinent dans des proportions constantes.

Jöns Jacob Berzelius

Un chimiste suédois et disciple de Dalton, Jöns Jacob Berzelius a entrepris un programme systématique pour essayer de faire des mesures quantitatives précises  et d'assurer la pureté des produits chimiques. Avec Lavoisier, Boyle et Dalton, Berzelius est connu comme le père de la chimie moderne. En 1828, il a compilé une table des poids atomiques relatifs, où le poids de l’oxygène était fixé à 100, et qui inclut tous les éléments connus à l'époque. Ce travail a fourni des preuves en faveur de la théorie atomique de Dalton : que les composés chimiques inorganiques sont composées d'atomes combinés en nombre entiers. Il a déterminé les constituants élémentaires exactes d'un grand nombre de composés. Les résultats ont confirmé fortement la loi de Proust des proportions définies. Pour ses poids, il a utilisé l'oxygène en tant que repère, fixant son poids égal à 100. Il a également mesuré le poids de 43 éléments. En découvrant que les poids atomiques ne sont pas des multiples entiers du poids d'hydrogène, Berzelius a également réfuté l'hypothèse de Proust que les éléments sont construits à partir des atomes d'hydrogène.

Aidé par ses nombreuses déterminations de poids atomique et dans un désir d'aider ses expériences, il a introduit le système classique de symboles et notations chimiques dans son édition de 1808 de Lärbok i Kemien, dans laquelle les éléments sont abrégés par une ou deux lettres pour obtenir des symboles distinctes à partir de leur nom latin. Ce système de notation chimique dans laquelle les éléments ont reçu des étiquettes écrites simples, tels que O pour l'oxygène O ou Fe pour le fer, avec des proportions notées par des nombres est le même système de base utilisé aujourd'hui. La seule différence est qu'au lieu de l'indice numéro utilisé aujourd'hui (par exemple, H2O), Berzelius utilisa un exposant (H2O). Berzélius eut le mérite d’avoir identifié le silicium, le sélénium, le thorium et le cérium. Les étudiants qui travaillaient dans le laboratoire de Berzelius ont également découvert le lithium et le vanadium.

Berzelius a développé la théorie radicalaire de la combinaison chimique, qui soutient que les réactions se produisent par des groupes stables d'atomes appelés radicaux qui sont échangés entre les molécules. Il a estimé que les sels sont des composés d'un acide et de bases et a découvert que les anions dans les acides seraient attirés par une électrode positive (l'anode), tandis que les cations dans une base seraient attirés par une électrode négative (la cathode). Berzelius ne croyait pas à la théorie du vitalisme , mais plutôt à une force régulatrice qui  produit l'organisation des tissus dans un organisme. Berzelius a aussi le mérite d’avoir crée les termes chimiques "catalyse", "polymère", "isomère", et "allotrope", bien que ses définitions initiales diffèrent considérablement de l’ usage moderne. Par exemple, il a inventé le terme "polymère" en 1833 pour décrire des composés organiques qui partagent des formules empiriques identiques mais dont le poids moléculaire global est différent, les plus grands des composés étant décrits comme des «polymères» du plus petit. Le  glucose (C6H12O6) était donc  considéré comme un polymère de la formaldéhyde (CH2O).

Nouveaux éléments et  lois des gaz  

Humphry Davy

Le chimiste anglais Humphry Davy a été un pionnier dans le domaine de l'électrolyse, en utilisant la pile voltaïque d’Alessandro Volta pour séparer des composés communs et ainsi isoler une série de nouveaux éléments. Il a continué à électrolyser les sels fondus et découvert plusieurs nouveaux métaux, en particulier de sodium et de potassium, des éléments hautement réactifs connus comme les métaux alcalins. Le potassium, le premier métal qui a été isolé par électrolyse, a été découvert en 1807 par Davy, à partir de la potasse caustique (KOH). Avant le 19e siècle, aucune distinction n'était faite entre le potassium et le sodium. Le sodium a d'abord été isolé par Davy dans la même année en faisant passer un courant électrique à travers l'hydroxyde de sodium fondu (NaOH). Lorsque Davy  apprit que Berzelius et Pontin avaient préparés un amalgame de calcium par électrolyse de la chaux dans le mercure, il essaya lui-même et réussit.  Davy  découvrit le calcium en 1808 par électrolyse d'un mélange de chaux et d’oxyde de mercure. Il a travaillé sur l'électrolyse tout au long de sa vie et, en 1808, il isola le magnésium, le strontium  et le baryum.

Davy a également fait des expériences avec des gaz en les inhalant. Cette procédure expérimentale lui a presque été fatale à plusieurs reprises, mais a conduit à la découverte des effets inhabituels de l'oxyde nitreux, qui est connu sous le nom de gaz hilarant. Le chlore a été découvert en 1774 par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele, qui l'a appelé "acide marin déphlogistifié" (voir la théorie du phlogistique) et a pensé à tort qu'il contenait de l’oxygène. Scheele a observé plusieurs propriétés du gaz de chlore, telles que son effet de blanchiment sur le tournesol, son effet mortel sur les insectes, sa couleur jaune-vert, et la similitude de son odeur avec celle de l'eau régale. Cependant, Scheele a été incapable de publier ses conclusions à l'époque. En 1810, le chlore a reçu son nom actuel par Humphry Davy (dérivé du mot grec pour le vert), qui a insisté  que le chlore était en fait un élément.  Il a également montré que l'oxygène ne peut pas être obtenu à partir de la substance connue sous le nom d'acide oxymuriatique (solution de HCl). Cette découverte a annulé la définition de Lavoisier d'acides en tant que composés de l’oxygène. Davy était un conférencier populaire et expérimentateur expérimenté.

Louis Joseph Gay-Lussac

Le chimiste français Louis Joseph Gay-Lussac a partagé l'intérêt de Lavoisier et d'autres dans l'étude quantitative des propriétés des gaz. De son premier grand programme de recherche en 1801-1802, il a conclu que des volumes égaux de tous les gaz se dilatent également avec la même augmentation de la température : cette conclusion est généralement appelée « loi de Charles », comme Gay-Lussac a donné le mérite de la découverte  à Jacques Charles, qui était arrivé à peu près à la même conclusion dans les années 1780, mais ne l’avait pas publiée. La loi a été découverte de façon indépendante par le philosophe naturel britannique John Dalton en 1801, même si la description de Dalton était moins complète que celle de Gay-Lussac. En 1804, Gay-Lussac a fait plusieurs ascensions audacieuses de plus de 7000 mètres au-dessus du niveau de la mer dans des ballons remplis d’hydrogène-un exploit pas égalé dans les 50 années suivantes-ce  qui lui a permis d'étudier d'autres aspects de gaz. Non seulement a-t-il recueilli des mesures magnétiques à différentes altitudes, mais il a également mesuré la pression, la température et l’humidité de l’air et collecté des échantillons qu’il a analysés ensuite.

En 1808, Gay-Lussac a annoncé ce qui était probablement sa plus grande réussite: à partir de sa propre et les expériences des autres, il conclut que les gaz à température et pression constante se combinent dans des proportions numériques simples en volume. En d'autres termes, les gaz, dans des conditions égales de température et de pression réagissent entre eux dans des rapports de petits nombres entiers de volumes. Cette conclusion par la suite fut connue comme “ loi de Gay-Lussac “ ou la “ loi de combinaison de volumes ". Avec son collègue professeur à l'École Polytechnique, Louis Jacques Thénard, Gay-Lussac  participa au début de la recherche électrochimique et  étudia  les éléments découverts par ses moyens. Parmi leurs  autres réalisations, ils décomposèrent l'acide borique en utilisant le potassium fondu, découvrant ainsi le bore. Ils ont également pris part aux débats contemporains qui ont modifié la définition de Lavoisier d'acides et renforcé leur programme d'analyse de composés organiques en  teneur en oxygène et en hydrogène.

L'élément iode a été découvert par le chimiste français Bernard Courtois en 1811. Courtois a donné des échantillons à ses amis, Charles Bernard Desormes (1777-1862) et Nicolas Clément (1779-1841), pour poursuivre les recherches. Il a également donné une partie de la substance à Gay-Lussac et au physicien André-Marie Ampère. Le 6 décembre 1813, Gay-Lussac a annoncé que la nouvelle substance était soit un élément ou un composé d'oxygène. C’est Gay-Lussac qui a suggéré le nom "IODE", du mot grec ??de? (iodes) pour violet (en raison de la couleur de la vapeur d'iode). Ampère avait donné une partie de son échantillon à Humphry Davy qui fit quelques expériences sur le fond et  nota sa similitude avec le chlore.  Davy envoya une lettre en date du 10 Décembre à la Royal Society de Londres indiquant qu'il avait identifié un nouvel élément.  Une dispute éclata entre Davy et Gay-Lussac sur l’auteur de la première identification de l’iode mais les deux scientifiques reconnurent que Courtois avait été le premier à isoler l'élément.

En 1815, Humphry Davy inventa la lampe Davy, qui permit aux mineurs dans les mines de charbon de travailler en toute sécurité en présence de gaz inflammables. Il y avait eu de nombreuses explosions minières causées par le grisou ou méthane souvent allumées par les flammes ouvertes des lampes alors utilisées par les mineurs. Davy l’a conçue en utilisant une gaze de fer pour enfermer la flamme d'une lampe et ainsi empêcher qu’elle sorte de la lampe et enflamme le méthane  présent dans  l'atmosphère. Bien que l'idée de la lampe de sécurité ait déjà été démontrée par William Reid Clanny et par l'alors inconnu (mais plus tard très célèbre) ingénieur George Stephenson, l'utilisation de Davy de toile métallique pour empêcher la propagation de la flamme a été utilisé par de nombreux autres inventeurs dans leur suite designs. Il a été question de savoir si Davy avait découvert les principes de sa lampe sans l'aide de l'œuvre de Smithson Tennant, mais il a été généralement admis que le travail des deux hommes avait été indépendant. Davy a refusé de breveter la lampe, et pour son  invention, on lui a décerné la médaille Rumford en 1816.

Après que  Dalton ait publié sa théorie atomique en 1808, certains de ses idées centrales ont été rapidement  adoptées par la plupart des chimistes. Toutefois, l'incertitude a persisté pendant un demi-siècle sur la façon dont la théorie atomique devait être configurée et appliquée à des situations concrètes; des chimistes dans différents pays ont développé plusieurs systèmes atomistiques incompatibles. Un document qui a suggéré un moyen de sortir de cette situation difficile fut publié dès 1811 par le physicien italien Amedeo Avogadro (1776 à 1856). Il émit l'hypothèse que des volumes égaux de gaz à la même température et pression  contiennent un nombre égal de molécules, donc il suivit que les poids relatifs égaux de deux gaz quelconques soient les mêmes pour que le rapport entre les densités des deux gaz dans les mêmes conditions de température et de pression le soit aussi. Avogadro a également estimé que les gaz simples sont formés d'atomes isolés mais ce sont plutôt des molécules composées de deux ou plusieurs atomes de carbone. Ainsi Avogadro a réussi à surmonter les difficultés que Dalton et d'autres ont rencontrées lorsque de Gay-Lussac a rapporté qu'au-dessus de 100 ° C, le volume de vapeur d'eau est deux fois le volume de l'oxygène utilisé pour la former. Selon  Avogadro, la molécule d'oxygène est divisée en deux atomes dans le cours de la formation de vapeur d'eau.

L'hypothèse d'Avogadro a été négligée pendant un demi-siècle.  De nombreuses raisons de cette négligence ont été citées, y compris certains problèmes théoriques, comme le «dualisme» de Jöns Jacob Berzelius, qui a affirmé que les composés sont maintenus ensemble par l'attraction des charges électriques positives et négatives, ce qui rend inconcevable le fait qu'une molécule puisse être composée de deux atomes similaires comme l’oxygène. Un obstacle supplémentaire à l'acceptation a été le fait que de nombreux chimistes étaient réticents à adopter des méthodes physiques (telles que les déterminations vapeur densité) pour résoudre leurs problèmes. Au milieu du siècle, cependant, certaines personnalités ont commencé à voir la multiplicité chaotique des systèmes de poids atomiques et les formules moléculaires comme d’intolérable concurrence. De plus, la preuve purement chimique  commenca à montrer que qu’ Avogadro avait peut-être raison après tout. Pendant les années 1850, les chimistes les plus jeunes, comme Alexander Williamson en Angleterre, Charles Gerhardt et Charles-Adolphe Wurtz en France et August Kekulé en Allemagne ont commencé à préconiser une réforme de la chimie théorique pour la rendre compatible avec la théorie d’Avogadro.

Wöhler et le débat sur le vitalisme

En 1825, Friedrich Wöhler et Justus von Liebig firent  la première découverte des isomères ainsi nommés plus tôt par Berzelius. Ils travaillèrent avec de l'acide isocyanhydrique et de l'acide fulminique, ils en déduirent correctement que l’isomérie est causée par différents arrangements d'atomes dans une structure moléculaire. En 1827, William Prout classa les biomolécules dans leurs groupements modernes : les glucides, les protéines et les lipides. Après que la nature de la combustion ait été réglée, un autre différend, à propos de vitalisme et la distinction essentielle entre les substances organiques et inorganiques commença. Le  vitalisme a été ébranlé en 1828 lorsque Friedrich Wöhler synthétisa l'urée prouvant ainsi  que les composés organiques peuvent être produits à partir de matières premières minérales et  réfuta la théorie du vitalisme. Jamais auparavant un composé organique n’avait été synthétisé à partir d'un matériau inorganique.

Cela ouvrit un nouveau champ de recherche en chimie, et à la fin du 19e siècle, les scientifiques furent  en mesure de faire la synthèse de centaines de composés organiques. Les plus importants  d'entre eux sont les colorants  synthétiques mauve, magenta et d’autres  ainsi que l'aspirine médicament largement utilisé. La découverte de la synthèse artificielle de l'urée a grandement contribué à la théorie de l'isomérie, vu que les formules chimiques empiriques pour l'urée et cyanate d’ammonium sont identiques (voir la synthèse de Wöhler). En 1832, Friedrich Wöhler et Justus von Liebig ont découverts et expliqués les groupes fonctionnels et les radicaux en  chimie organique, ainsi que la première  benzaldéhyde de synthèse. Liebig, un chimiste allemand, donna d'importantes contributions à la chimie agricole et biologique et a travaillé sur l'organisation de la chimie organique. Il est considéré comme le “ père de l'industrie des engrais" pour sa découverte de l'azote comme un nutriment essentiel pour les plantes, et sa formulation de la loi du minimum qui décrit l'effet des différents nutriments sur les cultures.

Mi-1800

En 1840, Germain Hess proposa la loi de Hess, une anticipation  de la loi de conservation de l'énergie, qui établit que les changements d'énergie dans un processus chimique ne dépendent que de l'état des matières premières et des produits et non pas de la voie spécifique parcourue entre les deux états.

En 1847, Hermann Kolbe obtint l'acide acétique à partir de sources complètement inorganiques, réfutant  de nouveau le vitalisme.

En 1848, William Thomson, 1er Baron Kelvin (communément connu sous le nom de Lord Kelvin) créa le concept du zéro absolu, la température à laquelle cesse tout mouvement moléculaire.

En 1849, Louis Pasteur découvrit que la forme racémique de l’acide tartrique est un mélange des formes lévogyres et dextrogyres, clarifiant ainsi la nature de la rotation optique et  faisant progresser le domaine de la stéréochimie.  

En 1852, August Beer proposa la loi de Beer, qui explique la relation entre la composition du mélange et la quantité de lumière qu'il absorbe. Basé en partie sur les travaux antérieurs de Pierre Bouguer et Johann Heinrich Lambert, il créa la technique analytique connue sous le nom spectrophotométrie.

 En 1855, Benjamin Silliman, Jr. pionnier des méthodes de craquage du pétrole, rendit possible l'ensemble de l'industrie pétrochimique moderne.

L'hypothèse d'Avogadro a commencé à gagner un grand attrait chez les chimistes seulement après que son compatriote et collègue scientifique Stanislao Cannizzaro ait démontré sa valeur en 1858, deux ans après la mort d'Avogadro. L’intérêt de Cannizzaro était initialement centré sur les produits naturels et sur les réactions des composés aromatiques ; en 1853, il a découvert que lorsque la benzaldéhyde est traité avec une base concentrée, il se produit à la fois de l'acide benzoïque et de l’alcool benzylique , un phénomène connu aujourd'hui comme la réaction de Cannizzaro. Dans son pamphlet de 1858, Cannizzaro a montré qu'un retour complet aux idées de Avogadro pourrait être utilisé pour construire une structure théorique cohérente et robuste qui correspondrait à à peu près toutes les preuves empiriques disponibles. Par exemple, il a montré que tous les gaz élémentaires ne sont pas constitués de deux atomes par molécule-certains sont  monoatomiques, la plupart sont diatomique, et quelques-uns sont encore plus complexes.

Un autre point de discorde avait été les formules des composés des métaux alcalins (comme le sodium) et les métaux alcalino-terreux (comme le calcium), pour qui, en raison de leurs analogies chimiques frappantes, la plupart des chimistes  attribuaient  à la même formule type. Cannizzaro fit valoir que le placement de ces métaux dans les différentes catégories a l'effet bénéfique d'éliminer certaines anomalies lors de l'utilisation de leurs propriétés physiques pour en déduire des poids atomiques. Malheureusement, la brochure de Cannizzaro fut  publiée initialement en italien et a eu peu d'impact immédiat. La véritable percée est survenue avec un congrès chimique international tenu dans la ville allemande de Karlsruhe en septembre 1860, à laquelle la plupart des grands chimistes européens étaient présents. Le Congrès de Karlsruhe avait été organisé par Kekulé, Wurtz et quelques autres qui  partageaient  le sentiment de Cannizzaro que la chimie devait prendre cette  direction. Parlant  le français (comme tout le monde), l'éloquence et la logique de Cannizzaro fit une impression indélébile sur l’assemblée. De plus, son ami Angelo Pavesi distribua la brochure de Cannizzaro aux participants à la fin de la réunion ; plus d'un chimiste écrivit plus tard l'impression décisive que fit la lecture de ce document.  Par exemple, Lothar Meyer a écrit plus tard que par la lecture de l'article de Cannizzaro  “ Les écailles  semblaient  me tomber des yeux “. Cannizzaro ainsi  a joué un rôle crucial pour gagner la bataille de la réforme. Le système qu’il préconisa et bientôt  adopté par la plupart des chimistes de premier plan, est sensiblement identique à ce qui est encore utilisé aujourd'hui.

Perkin, Crookes et Nobel

En 1856, Sir William Henry Perkin, 18 ans, lors d’un défi de son professeur, Auguste Wilhelm von Hofmann, chercha à synthétiser la quinine, le médicament anti malaria, à partir du goudron de houille. Dans une des tentatives, Perkin oxyda  l’aniline par le dichromate de potassium et  une  impureté la toluidine réagit avec l'aniline pour donner un solide noir suggérant un "échec" de la synthèse. Au nettoyage de la fiole avec de l'alcool, Perkin nota une portion pourpre de la  solution : ce sous-produit fut le premier colorant synthétique, connu sous le nom mauvéine ou de mauve, de Perkin. La découverte de Perkin est le fondement de l'industrie de la synthèse de colorants, l'une des premières industries chimiques de succès.

La plus importante contribution de l'allemand chimiste August Kekulé von Stradonitz  fut  sa théorie structurale de la composition organique, décrite dans deux articles publiés en 1857 et 1858 et traitée en détail dans les pages de son extraordinairement populaire Lehrbuch der organischen Chemie   ( "Manuel de chimie organique" ), dont la  première partie parut en 1859 et  fut progressivement étendu à quatre volumes. Kekulé montra que les atomes tétravalents de carbone – le carbone formant exactement quatre liaisons chimiques – pourraient se lier ensemble pour former une «chaîne de carbone» à laquelle se relient  d'autres atomes avec d'autres valences (tels que l'hydrogène, l'oxygène , azote et chlore) . Il était convaincu qu'il était possible pour le chimiste de préciser cette architecture moléculaire détaillée pour au moins les composés organiques plus simples connus à son époque. Kekulé n'a pas été le seul chimiste à faire de telles allégations.  Le chimiste écossais Archibald Scott Couper publia une théorie essentiellement similaire presque simultanément et le chimiste russe Alexandre Butlerov a beaucoup contribué à clarifier et à élargir la théorie de la structure. Cependant, ce sont les principales idées de Kékulé qui prévalut  dans la communauté chimique.

Le chimiste et physicien britannique William Crookes est connu pour ses études de rayons cathodiques, fondamentales dans le développement de la physique atomique. Ses recherches sur les décharges électriques à travers un gaz raréfié l'a amené à observer un espace sombre autour de la cathode, maintenant appelé l'espace sombre de Crookes. Il a démontré que les rayons cathodiques se déplacent en ligne droite et  produisent de la phosphorescence et de la chaleur quand ils frappent certains matériaux. Pionnier des tubes à vide, Crookes a inventé le tube de Crookes - un tube de décharge expérimental précoce, avec un vide partiel avec lequel il a étudié le comportement des rayons cathodiques. Avec l'introduction de l'analyse du spectre par Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff (1859-1860), Crookes a appliqué la nouvelle technique à l'étude des composés du sélénium. Bunsen et Kirchhoff avaient déjà utilisé la spectroscopie comme un moyen d'analyse chimique pour découvrir le césium et le rubidium. En 1861, Crookes utilisa ce processus pour découvrir le thallium dans certains dépôts sélénifères. Il a continué à travailler sur ce nouvel élément, l’a isolé et a étudié ses propriétés et en 1873 a déterminé son poids atomique. Au cours de ses études sur le thallium, Crookes a découvert le principe du radiomètre de Crookes, un dispositif qui convertit le rayonnement lumineux en mouvement rotatif

En 1862, Alexander Parkes exposa la parkesine (la cellulose), l'un des premiers polymères synthétiques, à l'Exposition internationale de Londres. Cette découverte a constitué la base de l'industrie des plastiques modernes.

En 1864, Cato Guldberg et Peter Waage, se basant sur les idées de Claude Louis Berthollet, a proposé la loi d'action de masse. En 1865, Johann Josef Loschmidt détermina le nombre exact de molécules dans une mole, nommé plus tard le nombre d'Avogadro.

En 1865, August Kekulé, se basant en partie sur les travaux de Loschmidt et d'autres, a établi la structure du benzène comme un cycle à six de carbone avec une alternance de liaisons simples et doubles. Cette nouvelle proposition de Kekulé pour la structure cyclique du benzène a été fort contestée mais n'a jamais été remplacée par une meilleure théorie . Cette théorie a fourni la base scientifique pour l'expansion spectaculaire de l'industrie chimique allemande dans le dernier tiers du 19e siècle. Aujourd'hui, la grande majorité des composés organiques connus sont aromatiques, et chacun d'entre eux contient au moins un noyau benzénique hexagonal comme prévu par Kekulé qui est également célèbre pour avoir clarifié la nature des composés aromatiques, qui sont des composés à base de benzène.

 En 1865, Adolf von Baeyer   travailla sur la teinture indigo, une étape importante dans la chimie organique industrielle moderne qui a révolutionné l'industrie des colorants.

Le chimiste suédois et inventeur Alfred Nobel a constaté que lorsque la nitroglycérine est incorporée dans une substance absorbante inerte comme le kieselguhr (terre de diatomées), elle devint plus sûre et plus facile à manipuler.  Il breveta ce mélange  en 1867 comme  dynamite. Nobel combina plus tard la nitroglycérine avec divers composés de nitrocellulose, semblable au collodion, mais copiant une recette plus efficace combinant un autre nitrate explosif,  il a obtenu une substance gélatineuse transparente  qui était un explosif plus puissant que la dynamite. La gélignite ou  gélatine explosive a été brevetée en 1876 et a été suivie par une multitude de combinaisons similaires, modifiées par l'addition de nitrate de potassium et autres substances.

Tableau périodique de Mendeleïev

Une percée importante pour donner un sens à la liste des éléments chimiques connus (ainsi que pour la compréhension de la structure interne des atomes) a été le développement de Dmitri Mendeleïev du premier tableau périodique moderne, ou la classification périodique des éléments. Mendeleïev, chimiste russe, a estimé que l’on pouvait mettre les éléments dans un certain type d’ordre et a passé plus de treize années de sa vie à recueillir des données et les assemblant , initialement  avec l'idée de résoudre certains des doutes dans le domaine pour ses étudiants . Mendeleïev a constaté que, lorsque tous les éléments chimiques connus étaient disposés en ordre croissant de poids atomique, la table résultante affiche un motif récurrent ou une périodicité des propriétés au sein des groupes d'éléments. La loi de Mendeleïev lui a permis de construire un tableau périodique systématique des 66 éléments alors connus sur la  base de la masse atomique, qu'il publie in Principles of Chemistry  en 1869. Son premier tableau périodique a été établi en disposant les éléments dans l'ordre croissant des poids atomiques et en les regroupant par la similitude des propriétés.

Mendeleïev avait une telle foi dans la validité de la loi périodique qu'il a proposé de modifier les valeurs généralement admises pour le poids atomique de quelques éléments et, dans sa version de la table périodique de 1871, prédit les emplacements dans le tableau des éléments inconnus ensemble avec leurs propriétés. Il a même prédit les propriétés probables de trois éléments qui n’avaient pas encore été découverts, qu'il appelait ekaboron (Eb), ekaaluminium (Ea), et ekasilicon (Es), qui se révélèrent être de bonnes prévisions des propriétés du scandium, du gallium et du germanium qui remplissent chaque place attribuées dans le tableau périodique par Mendeleïev.

Au début, le système périodique n'a pas soulevé l'intérêt des chimistes. Cependant, avec la découverte des éléments prévus,  le gallium en 1875, le scandium en 1879  et le germanium en 1886, il a commencé à gagner une large acceptation. La preuve subséquente de plusieurs de ses prédictions durant son vivant a fait la renommée de Mendeleev comme le fondateur de la loi périodique. Cette organisation a dépassé les premières tentatives de classification par Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois, qui a publié l'hélice tellurique, une première version, en trois dimensions, de la table périodique des éléments en 1862, John Newlands, qui a proposé la loi de octaves (un précurseur à la loi périodique) en 1864, et Lothar Meyer, qui a développé une première version du tableau périodique avec 28 éléments organisés par valence en 1864. La  table de Mendeleev cependant ne comportait aucun des gaz nobles qui n'avaient pas encore été découverts. Peu à peu, la loi périodique et  le tableau sont devenus le cadre d'une grande partie de la théorie chimique. Au moment où Mendeleïev mourut en 1907, il jouissait d'une reconnaissance internationale et avait reçu des distinctions et des prix de nombreux pays.

En 1873, Jacobus Henricus van 't Hoff et Joseph Achille Le Bel, travaillant indépendamment, ont développé un modèle de liaison chimique qui a expliqué les expériences de chiralité de Pasteur et a fourni une raison physique de l'activité optique des composés chiraux. La publication de van' t Hoff , appelée Voorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige dans de scheikunde Gebruikte Structuurformules dans de Ruimte, etc. (Proposition pour le développement de formules chimiques à 3 dimensions) et composée de douze pages de texte et une de diagrammes , a donné l'impulsion au développement de la stéréochimie. Le concept d’«atome de carbone asymétrique», traité dans cette publication, a fourni une explication à l'apparition de nombreux isomères, inexplicables au moyen des formules structurelles alors en vigueur. En même temps, il observa l'existence de relations entre l'activité optique et la présence d'un atome de carbone asymétrique.

Josiah Willard Gibbs

Le mathématicien et physicien américain Willard Gibbs travailla sur les applications de la thermodynamique et a joué un rôle dans la transformation de la chimie physique en une science déductive rigoureuse. Pendant les années de 1876 à 1878, Gibbs travailla sur les principes de la thermodynamique pour  les appliquer aux processus complexes impliqués dans les réactions chimiques. Il a découvert le concept de potentiel chimique, ou le « carburant » qui fait des réactions chimiques se dérouler. En 1876, il publie sa plus célèbre contribution, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances " Sur l'équilibre des substances hétérogènes", une compilation de ses travaux sur la thermodynamique et la chimie physique qui ont définis le concept de l'énergie libre pour expliquer la base physique des équilibres chimiques.  Ces essais furent les débuts de théories de Gibbs des phases de la matière : il considérait chaque état de la matière comme une phase, et chaque substance comme un composant. Gibbs a pris toutes les variables impliquées dans une réaction chimique - température, la pression, l'énergie, le volume et l'entropie - et les a inclus dans une équation simple connue comme la règle des phases de Gibbs.

Cet article était peut-être sa contribution la plus remarquable :  l'introduction du concept de l'énergie libre , désormais universellement appelée  énergie libre de Gibbs en son honneur. L'énergie libre de Gibbs concerne la tendance d'un système physique ou chimique  de simultanément abaisser  son énergie et augmenter son désordre, ou entropie, dans un processus naturel spontané. L'approche de Gibbs permet à un chercheur de calculer la variation de l'énergie libre dans le processus, comme dans une réaction chimique et la vitesse à laquelle elle se déroulera. Puisque la quasi-totalité des processus chimiques et de nombreux effets physiques impliquent de tels changements, son travail a significativement affecté à la fois les aspects théoriques et l'expérience de ces sciences.

En 1877, Ludwig Boltzmann établit  la dérivation statistique de nombreux concepts physiques et chimiques importants , y compris l'entropie et les distributions de vitesses moléculaires dans la phase gazeuse. En collaboration avec Boltzmann et James Clerk Maxwell, Gibbs a créé une nouvelle branche de la physique théorique appelée mécanique  statistique  (un terme qu'il a inventé), expliquant les lois de la thermodynamique comme conséquences des propriétés statistiques des grands ensembles de particules. Gibbs a également travaillé sur l'application des équations de Maxwell à des problèmes de l'optique physique. La dérivation de Gibbs des lois phénoménologiques de la thermodynamique des propriétés statistiques des systèmes avec de nombreuses particules a été présentée dans son manuel très important : Elementary Principes in Statistical Mecanics publié en 1902, un an avant sa mort. Dans ce travail, Gibbs a examiné la relation entre les lois de la thermodynamique et celles  de la théorie statistique des mouvements moléculaires.

Fin du 19e siècle

L'invention de l'ingénieur allemand Carl von Linde d'un processus continu de liquéfaction des gaz en grande quantité forma une base pour la technologie moderne de réfrigération et fournit à la fois la dynamique et les moyens pour mener des recherches scientifiques à des températures basses et des vides très élevés. Il mit au point un réfrigérateur à l'éther de méthyle (1874) et un autre à l’ammoniac (1876). Bien que d'autres unités de réfrigération aient été développées plus tôt, Linde était le premier à les avoir conçues avec l’aide de calculs précis d'efficacité. En 1895, il  mit en place une usine à grande échelle pour la production de l'air liquide. Six ans plus tard, il  développa une méthode pour séparer l'oxygène liquide pur à partir de l'air liquide qui aboutit à la conversion industrielle généralisée des procédés utilisant de l'oxygène (par exemple, dans la fabrication de l'acier).

En 1883, Svante Arrhenius a développa une théorie d'ions pour expliquer la conductivité dans les électrolytes. En 1884, Jacobus Henricus van 't Hoff publia Studies in Dynamics Chemistry (études en chimie dynamique), une étude qui fit école en cinétique chimique. Dans ce travail, van 't Hoff entra pour la première fois dans le domaine de la chimie physique.  Son développement de la relation thermodynamique générale entre la chaleur de la conversion et le déplacement de l'équilibre en raison de la variation de température est d’une grande importance. À volume constant, l'équilibre dans un système aura tendance à se déplacer dans une direction qui s’oppose à la variation de température qui est imposée au système. Ainsi, un  abaissement de la température provoque un dégagement de chaleur et son augmentation l'absorption de chaleur. Ce principe d'équilibre mobile a été par la suite (1885)  mis sous une forme générale par Henry Louis Le Chatelier, qui a étendu le principe en y incluant le changement de volume et de pression. Le principe de  van 't Hoff-Le Chatelier, ou tout simplement le principe de Le Chatelier, explique la réponse des équilibres chimiques dynamiques à des contraintes externes.

En 1884, Hermann Emil Fischer proposa la structure de la purine, une structure clé pour  de nombreuses biomolécules et l’a ensuite synthétisée en 1898. Il travailla également sur la chimie du glucose et des sucres apparentés.  

En 1885, Eugene Goldstein décrivit les rayons cathodiques, découverts par la suite comme étant composé d'électrons, et les rayons canaux , découvert par la suite comme étant  des ions hydrogène positifs ; ils seront plus tard appelés protons.  L'année 1885 a également vu la publication de J.H. van 't Hoff “L'Équilibre chimique dans les Systèmes gazeux ou dissous à I'État dilué” , qui traite de la théorie des solutions diluées. Ici, il  démontra que la « pression osmotique " dans les solutions qui sont suffisamment diluées est proportionnelle à la concentration et à la température absolue de telle sorte que cette pression puisse être représentée par une formule qui ne diffère de la formule de la pression du gaz que par un coefficient i. Il a également déterminé la valeur de i par divers procédés, par exemple au moyen de la pression de vapeur et des résultats de François-Marie Raoult sur l'abaissement du point de congélation. Ainsi van 't Hoff fut en mesure de prouver que les lois thermodynamiques ne sont pas seulement valables pour les gaz, mais aussi pour les solutions diluées. Ses lois sur la pression, validées par la théorie de la dissociation électrolytique de Arrhenius (1884-1887) sont considérées comme les plus complètes et importantes  dans le domaine des sciences naturelles.

 En 1893, Alfred Werner découvrit la structure octaédrique des complexes de cobalt, créant ainsi la chimie de coordination.

La découverte de Ramsay des gaz nobles

Les plus célèbres découvertes du chimiste écossais William Ramsay ont été faites en chimie inorganique. Ramsay était intrigué par l’observation en 1802  du physicien britannique John Strutt  3ème Baron Rayleigh que le poids atomique de l'azote trouvé dans les composés chimiques était inférieure à celle de l'azote présent dans l'atmosphère. Il  attribua cet écart à un gaz plus léger que l’azote inclus dans les composés chimiques de l'azote, tandis que Ramsay soupçonna un gaz plus lourd jusque-là inconnu dans l'azote atmosphérique. En utilisant deux méthodes différentes pour éliminer tous les gaz connus de l'air, Ramsay et Lord Rayleigh furent en mesure d'annoncer en 1894 qu'ils avaient trouvé un élément gazeux monoatomique, chimiquement inerte constituant  de près d’un pour cent de l'atmosphère; ils l'ont appelé argon.

L'année suivante, extrait un autre gaz inerte d'un minéral appelé cleveite; c’était  l'hélium, déjà connu dans le spectre solaire. Dans son livre The Gases of the Atmosphere (1896)( Les gaz de l'atmosphère) Ramsay a montré que les positions de l'hélium et de l'argon dans le tableau périodique des éléments indiquent que, au moins trois gaz plus nobles pourraient exister. En 1898, Ramsay et le chimiste britannique Morris W. Travers isolèrent ces éléments appelés néon, krypton et xénon dans l'air amené à l’état liquide à basse température et haute pression. Sir William Ramsay travailla avec Frederick Soddy pour démontrer, en 1903, que les particules alpha (noyaux d'hélium) sont continuellement produites au cours de la désintégration radioactive d'un échantillon de radium. Ramsay  reçut en 1904 le prix Nobel de chimie en reconnaissance de “ services pour la découverte des éléments gazeux inertes dans l'air et sa détermination de leur position dans le système périodique."

En 1897, J. J. Thomson découvrit l'électron en utilisant le tube à rayons cathodiques. En 1898, Wilhelm Wien démontra que les rayons canaux (flux d'ions positifs) peuvent être déviés par les champs magnétiques et que la grandeur de déviation est proportionnelle au rapport de masse sur charge. Cette découverte a conduit à la technique analytique connue comme la spectrométrie de masse.

Marie et Pierre Curie

Marie Sklodowska-Curie était une physicienne et chimiste française d'origine polonaise qui est célèbre pour ses recherches novatrices sur la radioactivité. Elle et son mari sont considérés comme ayant posé la première pierre de l'ère nucléaire par leurs travaux de recherche sur la radioactivité. Marie était fascinée par l'œuvre d'Henri Becquerel, un physicien français qui  découvrit en 1896 que l'uranium émet des rayons analogues aux rayons X découverts par Wilhelm Röntgen. Marie Curie  commença à étudier l'uranium à la fin de 1897 et selon un article de 1904, qu’elle écrivit pour le magazine Century, " l'émission de rayons par les composés de l'uranium est une propriété du métal lui-même, qu'il est une propriété atomique de l'élément uranium indépendant de son état chimique ou  physique ". Marie reprit le travail de Becquerel et mena  ses propres expériences sur les rayons d'uranium. Elle découvrit que les rayons  restent constants, peu importe l'état ou la forme de l'uranium. Les rayons venaient de la structure atomique de l'élément. Cette idée révolutionnaire a créé le domaine de la physique atomique et les Curies inventèrent le mot radioactivité pour décrire le phénomène.

Pierre et Marie explorèrent la radioactivité en travaillant pour séparer les substances dans les minerais d'uranium, puis  utilisèrent l'électromètre pour effectuer des mesures de rayonnement afin de rechercher  des quantités infimes d'élément radioactif inconnu parmi les fractions recueillies. Travaillant sur la  pechblende , le couple a découvert un nouvel élément radioactif en 1898. Ils l’appelèrent polonium, d’après le pays natal de Marie la Pologne. Le 21 Décembre 1898, les Curies détectèrent la présence d'un autre élément radioactif dans la pechblende. Ils présentèrent cette découverte à l'Académie française des sciences le 26 décembre, proposant que le nouvel élément soit appelé radium. Le Curies travaillèrent ensuite à isoler le polonium et le radium à partir de composés d'origine naturelle pour prouver qu'ils étaient des éléments nouveaux.

En 1902, les Curies annoncèrent qu'ils avaient produit un decigramme de radium pur, ce qui démontrait son existence comme un élément chimique unique. Alors qu'il leur avait fallu trois ans pour isoler le radium, ils ont jamais été en mesure d'isoler le polonium. Avec la découverte de deux nouveaux éléments et  trouvant  des techniques pour isoler des isotopes radioactifs, Curie supervisa les premières études du monde dans le traitement de néoplasmes, en utilisant des isotopes radioactifs. Avec Henri Becquerel et son mari, Pierre Curie, elle reçut le prix Nobel de physique de 1903. Elle fut  seule à recevoir  le Prix Nobel de Chimie de 1911. Ce fut la première femme à remporter seule un prix Nobel et elle est la seule femme à avoir remporté le prix dans deux domaines différents.

Tout en travaillant avec Marie pour extraire des substances pures à partir de minerais, une entreprise qui avait vraiment besoin de ressources industrielles, mais qu'ils réalisèrent dans des conditions relativement primitives, Pierre lui-même se concentra sur l'étude physique (y compris les effets lumineux et chimiques) des radiations nouvelles. Grâce à l'action des champs magnétiques sur les rayons émis par le radium, il a prouvé la présence de particules électriquement positive, négative ou neutre;  Ernest Rutherford  les appela ensuite rayon alpha, bêta et  gamma. Pierre a ensuite étudié ces radiations par calorimétrie et a également observé les effets physiologiques du radium, ouvrant ainsi la voie à la thérapie du radium. Pierre Curie découvrit, entre autres, qu’il y a  que les substances ferromagnétiques présentent une transition de température critique, au-dessus de laquelle elles perdent leur comportement ferromagnétique - ce qui est connu comme le "point de Curie." Il a été élu à l'Académie des Sciences (1905), ayant en 1903 conjointement avec Marie reçu la prestigieuse médaille Davy de la Royal Society et conjointement avec elle et Becquerel le prix Nobel de physique. Il a été écrasé par une voiture rue Dauphine à Paris en 1906 et est mort instantanément. Ses œuvres complètes ont été publiées en 1908.

Ernest Rutherford

Le chimiste et physicien Ernest Rutherford chimiste et physicien né en Nouvelle-Zélande est considéré comme “ le père de la physique nucléaire." Rutherford est surtout connu pour le choix des noms alpha, bêta et gamma pour classer les diverses formes de rayons radioactifs qui ont été mal compris à son époque (les rayons alpha et bêta sont des faisceaux de particules, tandis que les rayons gamma sont une forme électromagnétique de radiation à haute énergie ). Rutherford  dévia des rayons alpha avec des champs électriques et magnétiques en 1903. Travaillant avec Frederick Soddy, Rutherford a expliqué que la radioactivité est due à la transmutation d'éléments, maintenant connues comme réactions nucléaires.

Il a également observé que l'intensité de la radioactivité d'un élément radioactif diminue d’une quantité unique et régulière dans le temps et il a nommé “demi-vie”  le temps de réduire la radioactivité de moitié. En 1901 et 1902, il  travailla avec Frederick Soddy pour prouver que les atomes d'un élément radioactif  se transformaient  en une autre, en expulsant un morceau d'atome à grande vitesse. En 1906, à l'Université de Manchester, Rutherford supervisa une expérience menée par ses étudiants Hans Geiger (connu pour le compteur Geiger) et Ernest Marsden. Dans l'expérience Geiger-Marsden, un faisceau de particules alpha généré par la désintégration radioactive du radon, fut dirigé sur une feuille de très mince feuille d'or dans une chambre sous vide. Selon le modèle de pudding prévalescent à l’époque, les particules alpha devraient toutes traverser la feuille et atteindre l’écran du détecteur ou devraient être déviés au plus de quelques degrés.

Cependant, les résultats réels surprirent Rutherford. Bien que beaucoup de particules alpha traversèrent la feuille d’or comme prévu, une partie dévia selon de petits angles tandis que d'autres furent réfléchis vers la source de rayon alpha. Ils ont observé qu'un très faible pourcentage de particules avait été dévié selon des angles de beaucoup plus de 90 degrés. L'expérience de la feuille d’or a montré  de grands écarts  pour une petite fraction de particules incidentes. Rutherford se rendit compte que, vu que certaines des particules alpha ont été déviées ou reflétées, l'atome avait un centre concentré de charge positive et de masse relativement importante. Rutherford appela plus tard ce centre positif le “noyau atomique". Les particules alpha ont soit frappé le centre positif directement ou passé assez près de celui-ci pour être  affecté par sa charge positive. Comme beaucoup d'autres particules ont traversé la feuille d'or, le centre positif devait être une taille relativement petite par rapport au reste de l'atome - ce qui signifie que l'atome est principalement un espace ouvert.  À partir de ces résultats, Rutherford a développé un modèle de l'atome qui était similaire au système solaire, le modèle dit de Rutherford. Comme les planètes, les électrons sont en orbite autour d’un noyau de type solaire central. Pour son travail avec le rayonnement et le noyau atomique, Rutherford reçut le  prix Nobel de chimie en 1908.

20e siècle

En 1903, Mikhail Tsvet inventa la chromatographie, une technique analytique importante.

En 1904, Hantaro Nagaoka  proposa un premier  modèle nucléaire  de l'atome, où les électrons sont en orbite autour d'un noyau massif et dense.

En 1905, Fritz Haber et Carl Bosch développèrent le procédé Haber de fabrication de l'ammoniac qui fut une étape importante dans la chimie industrielle avec des conséquences profondes dans l'agriculture. Le procédé Haber, ou procédé Haber-Bosch, combine de l'azote et de l'hydrogène  pour former de l'ammoniac en quantités industrielles pour la production d'engrais et de munitions. La production de nourriture pour la population actuelle de la moitié du monde dépend de cette méthode pour la production d'engrais. Haber et Max Born,  proposèrent  le cycle de Born-Haber comme méthode d'évaluation de l'énergie de réseau d'un solide ionique. Haber a également été cité comme le « père de la guerre chimique " pour son travail de développement du chlore et d'autres gaz toxiques lors de la Première Guerre mondiale

En 1905, Albert Einstein a expliqué le mouvement brownien d'une manière qui définitivement prouva  la théorie  atomique. Leo Baekeland a inventé la bakélite, l'un des premières plastiques qui obtient un succès commercial. En 1909, le physicien américain Robert Andrews Millikan - qui avait étudié en Europe sous Walther Nernst et Max Planck  mesura la charge des électrons individuels avec une précision sans précédent par  l'expérience de la goutte d'huile, dans laquelle il mesura les charges électriques sur l'eau (et plus tard l’huile) qui tombe en minuscules gouttelettes. Son étude a établi que la charge électrique de toute gouttelette particulière est un multiple de la charge de l’électron ; c’est donc une confirmation que tous les électrons ont la même charge et la même  masse. À partir de 1912, il a passé plusieurs années à étudier et à prouver la relation linéaire proposée par Albert Einstein entre l'énergie et la fréquence et en fournissant le premier support photoélectrique direct pour la constante de Planck. En 1923, Millikan a reçu le prix Nobel de physique.

En 1909, Søren Sørensen  inventa le concept de pH et développa des méthodes pour mesurer l'acidité.

En 1911, Antonius Van den Broek proposa  que les éléments du tableau périodique sont plus correctement organisées par la charge nucléaire positive plutôt par que le poids atomique.

En 1911, la Première Conférence Solvay  à Bruxelles réunissait la plupart des scientifiques les plus éminents de l’époque

 En 1912, William Henry Bragg et William Lawrence Bragg proposèrent la loi de Bragg et ont créé le domaine de la cristallographie de rayons X, un outil important pour élucider la structure cristalline des substances.

En 1912, Peter Debye développa le concept de dipôle moléculaire pour décrire la distribution de charge asymétrique dans certaines molécules.

Niels Bohr

En 1913, Niels Bohr, physicien danois, adapta les concepts de la mécanique quantique à la structure atomique en proposant ce qui est maintenant connu comme le modèle Bohr de l'atome, où les électrons existent seulement dans des orbites circulaires strictement définies autour du noyau. Le modèle de Bohr est un modèle planétaire dans lequel les électrons chargés négativement orbitent autour d'un petit noyau chargé positivement semblable aux planètes en orbite autour du Soleil. Dans le modèle de Bohr, cependant, les électrons tournent autour du noyau dans des orbites qui ont une taille et une énergie définies - les niveaux d'énergie sont dits être quantifiées, ce qui signifie que seules certaines orbites sont autorisées.  L'énergie de l'orbite est liée à sa taille ce qui signifie que l’énergie la plus faible se trouve dans la plus petite orbite. Bohr a également émis l'hypothèse que le rayonnement électromagnétique est absorbé ou est émis lorsqu'un électron se déplace d'une orbite à l'autre. Vu que seules certaines orbites  sont autorisées, l'émission de lumière accompagnant le saut d'un électron d'un état d'énergie excité à l'état fondamental produit un spectre d'émission unique pour chaque élément.

Niels Bohr a également travaillé sur le principe de complémentarité, qui stipule qu'un objet peut être interprété de deux manières mutuellement exclusives et valides. Les électrons peuvent être interprétés comme des ondes ou comme des particules. Son hypothèse était qu'une particule entrante frapperait le noyau et créerait un noyau composé excité. Ceci a formé la base de son modèle de la goutte de liquide qui plus tard a fourni une base théorique à l'explication de la fission nucléaire.

En 1913, Henry Moseley, travaillant  sur une idée de Van den Broek, introduisit le concept de numéro atomique pour corriger les insuffisances du tableau périodique de Mendeleïev, qui avait été basée sur le poids atomique. Le pic de la carrière de Frederick Soddy en radiochimie fut en 1913 avec sa découverte des isotopes  et on lui doit la découverte en 1917 du protactinium .

En 1913, JJ Thomson élargit   les travaux de Wien en montrant que les particules subatomiques chargées peuvent  être séparées par leur rapport masse-charge, une technique connue comme la spectrométrie de masse.

Gilbert N. Lewis

Le chimiste américain Gilbert N. Lewis jeta les bases de la théorie de liaison de valence; il a contribué à l'élaboration d'une théorie de la liaison basée sur le nombre d'électrons de "valence" dans la couche extérieure de l'atome. En 1902, alors que Lewis tentait d'expliquer la valence à ses élèves, il  dépeignait les atomes comme composés d'une série concentrique de cubes avec des électrons à chaque coin. Cet « atome cubique », explique les huit groupes dans le tableau périodique et  représente son idée que les liaisons chimiques sont formées par transfert d'électrons pour donner à chaque atome un ensemble complet de huit électrons externes (un "octet").

La théorie de Lewis de liaison chimique a continué d'évoluer et, en 1916, il publia son article intitulé «The atom of the Molecule", où il suggéra qu'une liaison chimique est une paire d'électrons partagés par deux atomes. Le modèle de Lewis a assimilé la liaison chimique classique avec le partage d'une paire d'électrons entre les deux atomes liés. Lewis  présenta, dans ce document, les "electron dot diagrams " pour symboliser les structures électroniques des atomes et des molécules. Maintenant connu comme structures de Lewis, ils sont présentés dans pratiquement tous les livres d’introduction à la chimie.

Peu de temps après la publication de son document de 1916, Lewis fut  absorbé dans la recherche militaire. Il ne revint  au sujet de la liaison chimique qu'en 1923, quand il résuma magistralement son modèle dans une courte monographie intitulée” Valence and the Structure os Atoms and Molecules” . Son regain d'intérêt pour le sujet a été largement stimulé par les activités du chimiste américain et chercheur de la General Electric, Irving Langmuir, qui entre 1919 et 1921  popularisa et développa le modèle de Lewis. Langmuir introduisit ensuite le terme de  liaison covalente.

En 1921, Otto Stern et Walther Gerlach établissaient le concept de spin mécanique quantique des particules subatomiques.

Pour les cas où il n’y a aucun partage d’électron , Lewis, en 1923,  développa la théorie de paire d'électrons d'acides et de base: Lewis redéfinit un acide comme tout atome ou molécule contenant un octet incomplet qui est donc capable d'accepter des électrons d'un autre atome; les bases sont, bien sûr, des donneurs d'électrons. Sa théorie est connue sous le concept d’acides et bases de Lewis . En 1923, G. N. Lewis et Merle Randall publièrent Thermodynamics and the Free Energy of ChemicalSubstances, premier traité moderne de thermodynamique chimique.

Les années 1920 ont vu l’adoption rapide et l'application du modèle de Lewis de la liaison par paire d'électrons dans les domaines de la chimie organique et de coordination. En chimie organique, c’est principalement dû aux efforts des chimistes britanniques Arthur Lapworth, Robert Robinson, Thomas Lowry et Christopher Ingold; tandis qu’en chimie de coordination, le modèle de liaison de Lewis a été encouragé par les efforts du chimiste américain Maurice Huggins et du chimiste britannique Nevil Sidgwick.

Mécanique quantique

En 1924, le physicien quantique français Louis de Broglie publia sa thèse, dans laquelle il  présenta une théorie révolutionnaire pour son époque des ondes électroniques basées sur la dualité onde-particule , les interprétations d’ondes et de particules de la lumière et de la matière étaient vues comme étant en contradiction, mais de Broglie  suggéra que ces caractéristiques apparemment différentes  sont les mêmes observées de manières différentes - que les particules peuvent se comporter comme des ondes , et que les ondes (rayonnement) peuvent se comporter comme des particules. La proposition de Broglie a offert une explication à la restriction de  mouvement des électrons dans l'atome. Les premières publications de l'idée de Broglie des “ ondes de matière “ attirèrent peu l'attention d'autres physiciens, mais une copie de sa thèse de doctorat finit par hasard par atteindre Einstein, dont la réaction fut enthousiaste. Einstein a souligné l'importance du travail de Broglie explicitement et en s’appuyant sur lui.

En 1925, le physicien autrichien Wolfgang Pauli  développa le principe d'exclusion de Pauli, qui stipule que deux électrons autour d'un noyau  dans un atome ne  peuvent pas occuper simultanément  le même état quantique  comme décrit par quatre nombres quantiques. Pauli a fait d'importantes contributions à la mécanique quantique et à la théorie quantique des champs - il a reçu le  Prix Nobel de physique  de 1945 pour sa découverte du principe d'exclusion de Pauli - ainsi qu’à la physique du solide et il  émit l'hypothèse avec succès de l’existence du neutrino. En plus de son travail d'origine, il  écrivit  des synthèses magistrales dans plusieurs domaines de la théorie physique qui sont considérés comme des classiques de la littérature scientifique.

L'équation de Schrödinger

En 1926, à l'âge de 39 ans, le physicien autrichien Erwin Schrödinger produisit  les documents qui ont donné les bases de la mécanique quantique ondulatoire quantique. Dans ces documents, il décrit son équation différentielle partielle qui est l'équation de base de la mécanique quantique et a  le même rapport avec la mécanique de l'atome que les équations de Newton l’ont avec le mouvement à l'astronomie planétaire. Adoptant une proposition faite par Louis de Broglie en 1924 que les particules de matière ont une double nature et que dans certaines situations elles agissent comme des ondes, Schrödinger introduisit une théorie décrivant le comportement d'un tel système par une équation d'onde qui est maintenant connu comme l'équation de Schrödinger. Les solutions de l'équation de Schrödinger, à la différence des solutions des équations de Newton, sont des fonctions d'onde qui ne peuvent être liés qu’à la probabilité d’apparition  des événements physiques. La séquence facilement visualisées des événements des orbites planétaires de Newton est, en mécanique quantique, remplacée par la notion plus abstraite de la probabilité. Le physicien allemand Werner Heisenberg a été l'un des créateurs principaux de la mécanique quantique. En 1925, Heisenberg découvrit un moyen de formuler la mécanique quantique en termes de matrices. Pour cette découverte, il  reçu le prix Nobel de physique en 1932. En 1927, il publia son principe d'incertitude, sur lequel il construit sa philosophie et pour lequel il est le plus connu. Heisenberg a été en mesure de démontrer que si on étudie un électron dans un atome, on pourrait dire où il est (l'emplacement de l'électron) ou où il va (la vitesse de l'électron), mais qu’il était impossible d'exprimer les deux en même temps. Il a également fait des contributions importantes aux théories de l'hydrodynamique des écoulements turbulents, le noyau atomique, le ferromagnétisme, les rayons cosmiques et les particules subatomiques et il a joué un rôle dans la planification du premier réacteur nucléaire de l’Allemagne de l’ouest à Karlsruhe, en même temps qu’un réacteur de recherche à Munich , en 1957. Une controverse considérable entoure son travail sur la recherche atomique pendant la Seconde Guerre Mondiale.

La chimie quantique

Certains voient la naissance de la chimie quantique dans la découverte de l'équation de Schrödinger et son application à l'atome d'hydrogène en 1926.  Cependant, l’article de 1927  de Walter Heitler et Fritz London  est souvent reconnu comme la première étape de l’ histoire de la chimie quantique. C’est la première application de la mécanique quantique à la molécule diatomique d’hydrogène, et donc au phénomène de la liaison chimique. Pendant les années qui ont suivi,  beaucoup de progrès a été accompli par Edward Teller, Robert S. Mulliken, Max Born, J. Robert Oppenheimer, Linus Pauling, Erich Hückel, Douglas Hartree, Vladimir Alexandrovitch Fock, pour ne citer que quelques-uns. Pourtant, le scepticisme  resta  général sur la possibilité d’appliquer la mécanique quantique aux systèmes chimiques complexes. La situation aux alentours de 1930 est décrite par Paul Dirac:

”Les lois physiques sous-jacentes nécessaires à la théorie mathématique d'une grande partie de la physique et de l'ensemble de la chimie sont donc complètement connues, et la difficulté est seulement dans l'application exacte de ces lois conduit à des équations beaucoup trop compliquées pour être solubles. Il devient donc souhaitable que des méthodes pratiques approximatives de l'application de la mécanique quantique soient développés, ce qui peut conduire à une explication des principales caractéristiques des systèmes atomiques complexes sans trop de calcul.

Par conséquent, les méthodes de la mécanique quantique développées dans les années 1930 et 1940 sont plus souvent destinées à appliquer la mécanique quantique à la chimie ou à la spectrographie qu´à répondre à des questions chimiques essentielles. En 1951, un article de base de la chimie quantique est l'article de Clemens Roothaan sur les équations de Roothaan.  Il a ouvert la voie à la solution des équations de champ auto-cohérent pour les petites molécules du type de l’hydrogen ou de l’azote. Ces calculs ont été effectués à l'aide de tables d'intégrales qui ont été calculées sur les ordinateurs les plus avancés de l'époque.

Dans les années 1940 de nombreux physiciens se détournèrent de la physique moléculaire ou atomique vers la physique nucléaire (comme J. Robert Oppenheimer ou Edward Teller). Glenn T. Seaborg est un chimiste nucléaire américain le plus connu pour son travail sur l'isolement et l'identification des éléments transuraniens (les plus lourds que l'uranium). Il a partagé le prix Nobel 1951 de chimie avec Edwin Mattison McMillan pour leurs découvertes indépendantes des éléments transuraniens. Le seaborgium a été nommé en son honneur, il est la seule personne qui, avec Albert Einstein, dont le nom a servi à nommer un élément.

La biologie moléculaire et de la biochimie

Au milieu du 20e siècle, en principe, l'intégration de la physique et la chimie était forte , avec des propriétés chimiques expliquées comme le résultat de la structure électronique de l’atome; le livre de Linus Pauling “The Nature of the Chemical bond”  (La nature de la liaison chimique) où il utilisa les principes de la mécanique quantique pour en déduire les angles de liaison dans les molécules de plus en plus compliquées. Cependant, bien que certains principes déduits de la mécanique quantique soient en mesure de prédire qualitativement certaines caractéristiques chimiques des molécules biologiques, ils étaient, jusqu'à la fin du 20e siècle, plus un ensemble de règles, des observations et des recettes que rigoureusement le début de méthodes quantitatives.

Cette approche heuristique a triomphé en 1953 lorsque James Watson et Francis Crick élucidèrent la structure en double hélice de l'ADN en construisant des modèles basés sur la connaissance de la chimie des éléments constitutifs et les motifs de diffraction des rayons X obtenus par Rosalind Franklin. Cette découverte conduit à une explosion de la recherche sur la biochimie de la vie.

Dans la même année, l'expérience de Miller-Urey a démontré que les constituants de base de protéines, d'acides aminés simples, pourraient être eux-mêmes construits à partir de molécules plus simples dans une simulation de processus primordiaux sur Terre. Bien que de nombreuses questions demeurent quant à la véritable nature de l'origine de la vie, ce fut la première tentative par les chimistes d’étudier des processus hypothétiques en laboratoire dans des conditions contrôlées.

En 1983, Kary Mullis a conçu un procédé pour l'amplification in vitro de l'ADN, connu sous le nom de réaction en chaîne par polymérase (PCR), qui a révolutionné les procédés chimiques utilisés au laboratoire pour le manipuler. PCR put être utilisé pour synthétiser des éléments spécifiques de l'ADN et rendre possible le séquençage de l'ADN des organismes, qui a abouti à l'énorme projet du séquencement du génome humain.

Un élément important dans le puzzle de la double hélice a été résolu par des élèves de Pauling : Matthew Meselson et Frank Stahl. Le résultat de leur collaboration (expérience Meselson-Stahl) a été appelé comme “la plus belle expérience en biologie".

Ils ont utilisé une technique de centrifugation qui trie les molécules en fonction des différences de poids. Étant donné que les atomes d'azote font partie intégrante de l'ADN, elles ont été marquées et par conséquent  suivies dans leur réplication dans des bactéries.

Fin du 20e siècle

En 1970, John Pople développa le programme gaussien facilitant grandement les calculs de chimie computationnelle.  

En 1971, Yves Chauvin  offrit une explication du mécanisme des réactions de métathèse d'oléfines.

En 1975, Karl Barry Sharpless et son groupe découvrit une réaction d’oxydation stéreo sélective, y compris une époxydation, dihydroxylation asymétrique et une oxyamination toutes trois appelées  de Sharpless.

 En 1985, Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley découvrirent les fullerènes , une classe de grosses molécules de carbone ressemblant superficiellement au dôme géodésique conçu par l'architecte R. Buckminster Fuller.

En 1991, Sumio Iijima utilisa la microscopie électronique pour découvrir un type de fullerène cylindrique connu comme un nanotube de carbone, bien que des travaux antérieurs avait été fait dans le domaine dès 1951. Ce matériau est un élément important dans le domaine des nanotechnologies.

En 1995, Eric Cornell et Carl Wieman produisirent le premier condensat de Bose-Einstein, une substance qui présente des propriétés mécaniques quantiques à l'échelle macroscopique.

Mathématiques et la chimie

Classiquement, avant le 20ème siècle, la chimie a été définie comme la science de la nature de la matière et de ses transformations. Elle était donc clairement distincte de la physique qui n'a pas été concernés par cette transformation spectaculaire de la matière. En outre, contrairement à la physique,  la chimie n'a pas utilisé beaucoup de mathématiques. Certains étaient particulièrement réticents à utiliser les mathématiques au sein de la chimie. Par exemple, Auguste Comte écrivit en 1830 :

“Toute tentative d'utiliser des méthodes mathématiques dans l'étude des questions chimiques doit être considérée comme profondément irrationnelle et contraire à l'esprit de la chimie .... si l'analyse mathématique ne devait jamais tenir une place importante dans la chimie - une aberration qui est heureusement presque impossible - elle occasionnerait une dégénérescence rapide et généralisée de cette science.”

Cependant, dans la seconde partie du 19e siècle, la situation a changé et Auguste Kekulé a écrit en 1867 :

“Je pense plutôt que nous allons un jour trouver une explication mathématico-mécanique pour ce que nous appelons maintenant les atomes qui rendra compte de leurs propriétés.”

Champ d'application de la chimie

La compréhension de la nature de la matière a évolué et aussi l'auto-compréhension de la science de la chimie par ses praticiens. Ce processus historique continu de l'évaluation comprend les catégories, les termes, les objectifs et la portée de la chimie. En outre, le développement des institutions et des réseaux sociaux qui soutiennent l'enquête chimique sont des facteurs très importants qui permettent la production, la diffusion et l'application des connaissances chimiques.