Un peu de chimie

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Première métallurgie, Antiquité classique et l'atomisme, 19e siècleNouveaux éléments et  lois desgaz, Mi-1800, Fin du 19e siècle, 20e siècle, Mécanique quantique, La biologie moléculaire et labiochimie,  Mathématiques et la chimie, Fin du 20e siècle.

Mi-1800

Perkin, Crookes et Nobel, Tableau périodique de Mendeleïev, Josiah Willard Gibbs

    En 1840, Germain Hess proposa la loi de Hess, une anticipation à 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  découvrit 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 a 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  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 lors d'un congrès chimique international tenu dans la ville allemande de Karlsruhe en septembre 1860, auquel 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 ont prévalu  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  obtint 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 sur 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 est 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.