Un peu de chimie

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Nouveaux éléments et lois des gaz

Humphry Davy. Louis Joseph Gay-Lussac , Wöhler et le débat sur le vitalisme

Humphry Davy

    Le chimiste anglais Humphry Davy fut 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. Dans 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 », vu que 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  expérience et celles 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 ces 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 donna 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 utilisée 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, certaines 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 en 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 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.