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, ne
parvint pas à expliquer la matière et ses transformations, mais fut
utile parce qu’en exécutant des expériences et en enregistrant leurs
résultats, les alchimistes préparèrent le terrain pour la chimie
moderne. Une séparation claire commença par Robert Boyle entre la
chimie et l'alchimie dans son travail «The Sceptical Chymist (1661)
».
Bien que l'alchimie et la chimie s’occupent, tous
deux, de la matière et de ses transformations, les chimistes se
distinguent de leurs prédécesseurs par l’application de la méthode
scientifique à leurs travaux.
La chimie est devenue une science par les travaux
d'Antoine Lavoisier. Il a énoncé une loi de conservation de la
masse qui exigeait des mesures minutieuses 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.
Âge de bronze;
Âge de fer;
Alchimie;
XVIIe siècle;
Le
phlogistique;
Alessandro Volta;
Antoine-Laurent Lavoisier;
XIXe
siècle;
John Dalton;
Jöns Jacob Berzelius;
Humphry Davy;
Louis J oseph
Gay-Lussac;
Wöhler et Liebig;
Mi-1800;
Perkin, Kekulé, Crookes et Nobel;
Le
tableau périodique de Mendeleïev;
Josiah Willard Gibbs;
Fin du XIXe siècle;
William Ramsay;
Pierre et Marie Curie;
Ernest Rutherford; XXe siècle - Divers progrès;
Niels Bohr, Moseliy, Soddy;
Gilbert N. Lewis;
Mécanique quantique; Équation de Schrödinger;
La chimie et la biologie
Âge de bronze
Certains métaux peuvent être retirés de leurs
minerais par simple chauffage ou fusion des roches : notamment l'étain,
le plomb et le cuivre. La première indication de cette extraction date
de la métallurgie des Ve et VIe millénaire av. 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 de Belovode. Parmi les objets
trouvés, il y a une hache de cuivre antérieure à 5500 av.
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, sur des sites comme Palmela (Portugal), Los Millares (Espagne), et
Stonehenge (Royaume-Uni). Cependant, comme souvent dans l'étude des
temps préhistoriques, les débuts ne peuvent pas être clairement définis
et varient d'un endroit à l'autre.
En combinant le cuivre et l'étain, on obtient un
métal de qualité supérieure : un alliage appelé bronze. Cet alliage est
principalement résistant à l’usure et est relativement résistant à la
corrosion. Son utilisation est une activité technologique majeure.
L'âge du bronze, après celui de la pierre et avant celui du fer,
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 de l'arsenic.
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.
(retour liste)
Âge de 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 la sidérurgie peuvent
être trouvés dans une grande variété de cultures et de civilisations.
On retrouve le travail du fer dans 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 (Nigérie actuelle), 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 (installation utilisant un combustible
fort réducteur comme le coke pour obtenir de la fonte), la fonte,
le martinet hydraulique (lourd marteau qui tombe sur l’enclume et
est soulevé hydrauliquement) et le soufflet à piston.(retour liste)
Alchimie
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 et de deux éléments
philosophiques: le soufre, caractérise 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.
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 recherche en secret de
la pierre philosophale. Cette substance hypothétique aurait le pouvoir
de changer les vils métaux en métaux nobles, de guérir les maladies et
de prolonger la vie. Son étude était basée sur le mysticisme symbolique
et elle diffère grandement de la science moderne. Les alchimistes ont
beaucoup travaillé pour accomplir des transformations par action
spirituelle. C’étaient des proto-scientifiques. Des aspects ésotériques
de l'alchimie ont influencé fortement l'évolution de la chimie en
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 d'alchimie et de 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 (alambic
à trois tête) et kérotakis (ancêtre du soxlet). Cléopatre
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 ésotérique est
restée 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 dans l'alchimie
De notre point de vue, l'alchimie présente plusieurs problèmes . 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 ll'auteur. 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 le 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 Alighieri 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 elle-même.
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 XIVe 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 des Égyptiens ont été traduites en arabe et ont été
testées avec des idées scientifiques. Le développement de la méthode
scientifique moderne en chimie fut lent et ardu, mais elle a commencé à
émerger parmi les chimistes musulmans en commençant, au début du
IXe siècle, par le chimiste Jabir ibn Hayyan (connu sous le nom de
"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. Al-Tusi a décrit une version de la
conservation de la masse, notant qu'un corps de matière est capable de
se transformer, 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 plus
de vingt instruments dont de nombreux sont encore en usage
aujourd'hui, comme le creuset, la cornue de distillation et
divers types de fours 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 améliorée.
Paracelse (1493-1541), par exemple, a rejeté la théorie des 4-éléments
et avec seulement une vague compréhension des produits chimiques et des
médicaments, a formé un hybride de l'alchimie et de la médecine 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 synthétisés en combinant le mercure avec du soufre, il a
synthétisé ce qu'il pensait être une “huile de soufre”. C’était en
réalité l'éther diméthylique, qui ne contient ni mercure, ni soufre.
(retour liste)
Les tentatives pratiques pour l’amélioration de l'affinage des minerais
et l’extraction des métaux fondus a été une source importante
d'informations pour les premiers chimistes au XVIe 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 retiré le
mysticisme associé au sujet et a créé la base pratique sur laquelle
d'autres pourraient construire l’édifice de la chimie. 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 publie 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 est publiée 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 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 l’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 doivent être prouvées expérimentalement avant
d'être considérées comme vraies. 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.
(retour liste)
Le phlogistique
En 1702, le chimiste allemand Georg Ernst Stahl (1659-1734)
invente le nom « phlogistique » pour désigner la substance censée
être libérée dans le processus de combustion. Stahl est aussi le
promoteur de l’animisme précurseur du vitalisme médical.
*
Vers 1735, le chimiste suédois Georg
Brandt (1694-1768) analyse un pigment bleu foncé trouvé dans le minerai
de cuivre. Il démontre que le pigment contient un nouvel élément,
nommé plus tard cobalt et que ce métal est la source de la
couleur bleue du verre et non le bismuth.
*
En 1751, un chimiste suédois, élève de
Stahl, nommé Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765), identifie une impureté
dans le minerai de cuivre comme élément métallique séparé qu'il
nomme nickel. Cronstedt est l'un des fondateurs de la minéralogie
moderne. Il découvre également en 1751, la scheelite
minérale qu'il nomme tungstène, ce qui signifie « pierre
lourde » en suédois.
*
En 1754, le chimiste écossais Joseph
Black(1728-1799) isole le dioxyde de carbone, qu'il appelle « air
fixe ».
*
En 1757, Louis Claude Cadet de
Gassicourt (1731-1799), alors qu'il enquête sur des composés d'arsenic,
crée le liquide fumant Cadet, identifié plus tard comme oxyde cacodyle,
considéré comme premier composé organique synthétique. La réaction est
l’action de l’acétate de potassium sur le trioxyde d’arsenic.
*
En 1758, Joseph Black formule le concept
de chaleur latente pour expliquer la thermochimie des changements de
phase. La chaleur latente est appelée aujourd’hui « enthalpie de
changement d’état ».
*
En 1766, le chimiste anglais Henry
Cavendish (1731-1810) isole l'hydrogène, qu'il appelle "air
inflammable". Cavendish le décrivit comme un gaz incolore et
inodore qui brûle et peut former un mélange explosif avec l'air et
publie 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 (1742-1786) découvre l'oxygène, qu'il appelle "l'air de
feu", mais ne publie pas immédiatement ses résultats.
*
En 1774, le chimiste anglais Joseph
Priestley (1733-1804) isole indépendamment l'oxygène à
l'état gazeux, en l'appelant "air déphlogistiqué ", et publie 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 le laissa 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 (1735-1784) suggérèrent qu'il pourrait être possible d'obtenir
un nouveau métal en réduisant cet acide.
*
En 1783, José (1754-1796) et Fausto
Elhuyar (1755-1837) trouvent un acide fabriqué à partir de
wolframite qui était identique à l'acide tungstique. Plus tard durant
la même année, en Espagne, les frères réussissent à isoler le
métal maintenant connu comme le tungstène par réduction de cet acide
avec du charbon. On leur porte le crédit de la découverte de l'élément.
*
En 1784, Henri Cavendish (1731-1810) reconnaît que l'hydrogène est un élément.
(retour liste)
Le physicien italien Alessandro Volta (1745-1827) construit un
dispositif pour accumuler une charge importante par une série
d'inductions et de mise à la terre. Il étudie la découverte de
"l'électricité animale» faite en 1780 par Luigi Galvani (1737-1798) et
constate que le courant électrique est généré à partir du contact de
métaux différents et que la jambe de grenouille agit seulement
comme un détecteur. Volta montre en 1794 que, lorsque deux métaux
différents et du tissu ou de carton imprégné de saumure sont disposés
dans un circuit, elles produisent un courant électrique.
*
En 1800, Volta empile 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
supérieur et inférieur sont reliés par un fil, un courant
électrique passe à travers les plaques et les connections. Ainsi, on
attribue à Volta la construction de 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 est appelée une pile voltaïque.
*
Ainsi, Volta est considéré comme le
fondateur 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.
(retour liste)
Antoine-Laurent Lavoisier
La chimie moderne prospéra à partir de
d'Antoine-Laurent de Lavoisier (1742-1794), un chimiste français qui
est célébré comme « père de la chimie moderne ». Lavoisier a démontré
par des mesures précises que la transmutation de l'eau en terre n'est
pas 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 les originaux. 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 démontre
que l'air est composé de deux parties dont l'une combine avec des
métaux pour former des sels.
Dans Considérations Générales sur la Nature des Acides (1778), il démontre que l’"air" responsable de la combustion serait également la source de l’acidité.
*L'année suivante, il nomme 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 appela l'hydrogène (du grec ancien-eau)
- combiné avec l'oxygène pour produire une rosée, comme Priestley
l’avait signalé, semblait être de l'eau.
*Dans
Reflexions sur le phlogistique (1783),
Lavoisier montre que la théorie phlogistique et celle de la
combustion sont incompatibles. Mikhail Lomonosov (1711-1765)
indépendamment établit une tradition de chimie en Russie au
XVIIIe siècle. Il rejette également la théorie du phlogistique et
prévoit la théorie cinétique des gaz. Il considère la chaleur comme une
forme de mouvement et a l'idée de la conservation de la matière.
*Dans sa
Méthode de Nomenclature chimique
(1787), Lavoisier invente 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 (1748-1822) est le premier à
introduire l'utilisation du gaz de chlore comme agent de blanchiment
commercial.
*Dans la même année, il détermine la composition élémentaire de l'ammoniac gazeux.
*Berthollet produit 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
étudie et qu’il est 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 présente une liste d'éléments
ou de substances qui ne peuvent être décomposés en une autre; cette
liste comprenait l'oxygène, l'azote, l'hydrogène, le phosphore, le
mercure, le zinc et le soufre. Cependant, elle comprend également
la lumière et le calorique, qu'il croyait être des substances
matérielles. Dans son travail, Lavoisier souligne que la chimie est
basée sur l’observation, déclarant: « Je l'ai essayée ... pour arriver
à la vérité en reliant les faits, de supprimer autant que possible
l'utilisation du raisonnement, qui est souvent un instrument 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 démontre que les organismes démontent et reconstituent l'air
atmosphérique de la même manière qu’un corps en combustion.
*Avec Pierre-Simon de Laplace (1749-1825), Lavoisier
utilise un calorimètre pour mesurer la chaleur dégagée par unité de
dioxyde de carbone produit. Ils constatent le même rapport pour
une flamme que pour les animaux, ce qui indique que les animaux
produisent de l'énergie par un type de combustion.
*Lavoisier croit 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
croit que tous les acides contenaient l'oxygène. Il découvre 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 étudie 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 que
Lavoisier ne connaissait pas, soit 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 a accès à la
connaissance de la plupart des progrès chimiques qui se déroulent à
l'extérieur de son laboratoire. En outre, Mme Lavoisier
tient des dossiers sur les travaux de Lavoisier et veille à ce
que ses travaux soient publiés.
(retour liste)
XIXe siècle
En 1802, le chimiste et industriel
américain-français Éleuthère Irénée du Pont (1771-1834), qui
apprit la fabrication de la poudre et des explosifs avec Antoine
Lavoisier, fonde 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 est vigilant sur la qualité des matériaux qu'il
utilise. Pendant 32 ans, du Pont est président de E. I. du Pont de
Nemours and Company, qui finit par devenir l'une des entreprises les
plus importantes et les plus prospères en Amérique.
Tout au long du XIXe siècle, les chimistes sont
divisés entre ceux qui suivent la théorie atomique de John Dalton et
ceux qui ne la suivent pas, comme Wilhelm Ostwald (1853-1932) et Ernst
Mach (1838-1916). Bien que les partisans de la théorie atomique comme
Amedeo Avogadro (1776-1856) et Ludwig Boltzmann (1844-1906)
fassent de grands progrès pour expliquer le comportement des gaz, le
différend n'a été définitivement réglé qu’à la publication, en
1905, de l’explication théorique du mouvement brownien par Albert
Einstein (1879-1955), explication confirmée ensuite par les expériences
de Jean Perrin (1870-1942).
Bien avant que le différend n’ait été réglé,
beaucoup avaient déjà appliqué le concept de l'atomisme à la chimie. Un
exemple important est la théorie ionique de Svante Arrhenius
(1859-1927), qui émet des idées sur la structure atomique qui
n’ont pas été développées entièrement avant le XXe siècle.
Michael Faraday est un autre chercheur précoce dont la principale
contribution à la chimie est 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, sont les premiers
indices de la nature atomique de la matière.
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John Dalton
En 1803, le météorologiste et chimiste anglais John
Dalton (1766-1844) propose la loi qui porte son nom ; elle décrit la
relation entre les composants dans un mélange de gaz et
comment la pression partielle de chacun de
ceux-ci 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 proposa également une théorie moderne
atomique en 1803, selon laquelle toute la matière est composée de
petites particules indivisibles appelées atomes. Les atomes d'un
élément donné possèdent des caractéristiques et un poids unique. Trois
types d'atomes existent : simples (éléments), composés (molécules
simples) et complexes (molécules complexes). En 1808, Dalton
publie
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 avec
le poids atomique de l'hydrogène comme unité. Après Jeremias
Benjamin Richter ( 1762-1807) (connu pour l'introduction du terme
stoechiométrie), il proposa 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 Louis Proust (1754-1826)
propose 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 des composés
chimiques sont formés lorsque les atomes se combinent dans des
proportions constantes.
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Jöns Jacob Berzelius
Aidé par ses nombreuses déterminations de poids
atomique et pour documenter ses expériences, Jöns Jacob Berzelius
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, telles que O pour l'oxygène 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,H
2O), Berzelius utilisait un exposant (H
2O).
Berzélius a le mérite d’avoir identifié le silicium, le sélénium, le
thorium et le cérium. Des étudiants qui travaillaient dans le
laboratoire de Berzelius ont également découvert le lithium et le
vanadium.
Berzelius développe la théorie radicalaire de la
combinaison chimique, qui soutient que les réactions se produisent par
l’échange entre les molécules de groupes stables d'atomes appelés
radicaux. Il estime que les sels sont des composés d’acide et de base
et découvre que les anions dans les acides sont attirés par une
électrode positive (l'anode), tandis que les cations dans une base sont
attirés par une électrode négative (la cathode). Berzelius ne croit 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 créé les termes chimiques
"catalyse", "polymère", "isomère", et "allotrope", bien que ses
définitions initiales diffèrent considérablement de l’usage moderne.
Par exemple, il invente 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 (C
6H
12O
6) était donc considéré comme un polymère de la formaldéhyde (CH
2O).
Commet disciple de Dalton, Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) entreprend
un programme systématique pour faire des mesures quantitatives
précises et assurer la pureté des produits chimiques.
Avec Lavoisier, Boyle et Dalton, Berzelius est connu
comme le père de la chimie moderne. En 1828, il compile une table des
poids atomiques relatifs, où le poids de l’oxygène est fixé à 100, et
qui inclut tous les éléments connus à l'époque. Ce travail fournit des
preuves en faveur de la théorie atomique de Dalton : que les composés
chimiques inorganiques sont composées d'atomes combinés en nombre
entiers. Il détermine les constituants élémentaires exacts d'un grand
nombre de composés. Les résultats confirment fortement la loi des
proportions définies de Proust. Pour les poids, il utilise l'oxygène en
tant que référence, fixant son poids à 100. Il mesure le poids de 43
éléments. En découvrant que les poids atomiques ne sont pas des
multiples entiers du poids d'hydrogène, Berzelius réfute également
l'hypothèse de Proust que les éléments sont construits à partir des
atomes d'hydrogène.
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Le chimiste anglais Humphry Davy (1778-1829) est 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 électrolyse les sels fondus
et découvre plusieurs nouveaux métaux, en particulier le sodium et le
potassium, des éléments hautement réactifs connus comme métaux
alcalins. Le potassium, le premier métal qui a été isolé par
électrolyse, est découvert en 1807 par Davy, à partir de la potasse
caustique (KOH). Avant le XIXe siècle, aucune distinction n'était faite
entre le potassium et le sodium. Le sodium est isolé par Davy, la même
année, en faisant passer un courant électrique à travers l'hydroxyde de
sodium fondu (NaOH). Lorsque Davy apprend que Berzelius a préparé un
amalgame de calcium par électrolyse de la chaux dans le mercure, il
essaye lui-même et réussit. Davy découvre le calcium en 1808 par
électrolyse d'un mélange de chaux et d’oxyde de mercure. Il travaille
sur l'électrolyse tout au long de sa vie et, en 1808, isole le
magnésium, le strontium et le baryum.
Davy fait également 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 est découvert en 1774 par le chimiste suédois Carl
Wilhelm Scheele (1742-1786) qui l'appelle "acide marin déphlogistifié"
(voir la théorie du phlogistique) et pense à tort qu'il contient de
l’oxygène. Scheele observe 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 est incapable de publier
ses conclusions. En 1810, le chlore reçoit son nom actuel par Humphry
Davy (dérivé du mot grec pour le vert),qui insiste que le chlore est,
en fait, un élément. Il montre également 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 annule la définition
de Lavoisier d'acides en tant que composés de l’oxygène.
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Louis Joseph Gay-Lussac
Le chimiste
français Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850) partage 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 conclut
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 fait
plusieurs ascensions audacieuses de plus de 7000 mètres au-dessus du
niveau de la mer dans des ballons remplis d’hydrogène-un exploit qui ne
fut pas égalé dans les 50 années suivantes-ce qui lui permet d'étudier
d'autres aspects de gaz. Il note non seulement des mesures magnétiques
à différentes altitudes, mais mesure également la pression, la
température et l’humidité de l’air et collecte des échantillons qu’il
analyse ensuite.
En 1808, Gay-Lussac annonce ce qui est probablement
sa plus grande réussite: à partir des expériences des autres et des
siennes, 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 est 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
participe au début de la recherche électrochimique et étudie les
éléments découverts par ce moyen. Parmi leurs autres
réalisations, ils décomposent l'acide borique en utilisant le potassium
fondu, découvrant ainsi le bore. Ils prennent également 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 est découvert par le chimiste
français Bernard Courtois en 1811. Courtois donne des échantillons à
ses amis, Charles Bernard Desormes (1777-1862) et Nicolas Clément
(1779-1841), pour poursuivre les recherches. Il donne une partie de la
substance à Gay-Lussac et au physicien André-Marie Ampère. Le 6
décembre 1813, Gay-Lussac annonce que la nouvelle substance est soit un
élément, soit un composé d'oxygène. C’est Gay-Lussac qui suggère le nom
"IODE", du mot grec ιώδες (iodes) pour violet (en raison de la couleur
de la vapeur d'iode). Ampère donne une partie de son échantillon à
Humphry Davy qui fait quelques expériences sur le fond et note sa
similitude avec le chlore. Davy envoie une lettre en date du 10
décembre à la Royal Society de Londres indiquant qu'il a identifié un
nouvel élément. Une dispute éclate entre Davy et Gay-Lussac sur
l’auteur de la première identification de l’iode, mais les deux
scientifiques reconnaissent que Courtois a été le premier à isoler
l'élément.
En 1815, Humphry Davy invente la lampe Davy, qui
permet 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 la conçoit en utilisant une gaze de fer pour enfermer la flamme
d'une lampe et ainsi empêcher qu’elle ne sorte de la lampe et
n’enflamme le méthane présent dans l'atmosphère. Bien que
l'idée de la lampe de sécurité avait 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 fut utilisée par de nombreux
autres inventeurs. Il a été question de savoir si Davy a découvert les
principes de sa lampe sans l'aide de l'œuvre de Smithson Tennant, mais
il a été généralement admis que les travaux des deux hommes ont été
indépendant. Davy refusa de breveter la lampe et, pour son
invention, on lui a décerné la médaille Rumford en 1816.
Après que Dalton publie sa théorie atomique en
1808, certaines de ses idées centrales sont rapidement adoptées
par la plupart des chimistes. Toutefois, l'incertitude persiste pendant
un demi-siècle sur la façon dont la théorie atomique doit être
interprétée et appliquée à des situations concrètes. Des chimistes dans
différents pays développent plusieurs systèmes atomistiques
incompatibles. Un document, qui suggère un moyen de sortir de cette
situation difficile, est publié dès 1811 par le physicien italien
Amedeo Avogadro (1776 à 1856). Il émet l'hypothèse que des volumes
égaux de gaz à la même température et pression contiennent un
nombre égal de molécules, donc il en suit que les poids relatifs égaux
de deux gaz quelconques sont les mêmes que le rapport entre les
densités des deux gaz dans les mêmes conditions de température et de
pression. Avogadro croit également que les gaz simples ne sont
pas formés d'atomes isolés mais ce sont plutôt des molécules composées
de deux ou plusieurs atomes . Ainsi Avogadro réussit à surmonter les
difficultés que Dalton et d'autres ont rencontrées lorsque de
Gay-Lussac a montré 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 affirma 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 commença 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.
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Wöhler et Liebig
En 1825, Friedrich Wöhler (1800-1882) et Justus von Liebig (1803-1673)
font la première découverte des isomères ainsi nommés plus tôt
par Berzelius. Ils travaillent avec de l'acide isocyanhydrique et de
l'acide fulminique et ils déduisent correctement que l’isomérie est
causée par différents arrangements d'atomes dans une structure
moléculaire. En 1827, William Prout classe les biomolécules dans leurs
groupements modernes : les glucides, les protéines et les lipides.
Après que la nature de la combustion ait été réglée, commence un autre
différend, à propos de vitalisme et la distinction essentielle entre
les substances organiques et inorganiques. Le vitalisme est ébranlé en
1828 lorsque Friedrich Wöhler synthétise l'urée prouvant ainsi que les
composés organiques peuvent être produits à partir de matières
premières minérales et réfute la théorie du vitalisme. Jamais
auparavant un composé organique n’avait été synthétisé à partir d'un
matériau inorganique.
Cela ouvre un nouveau champ de recherche en chimie, et à la fin du 19e
siècle, les scientifiques sont en mesure de faire la synthèse de
centaines de composés organiques. Les plus importants d'entre eux sont
les colorants synthétiques mauves, magentas et d’autres
ainsi que l'aspirine médicament largement utilisé. La découverte de la
synthèse artificielle de l'urée contribua grandement 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 découvent et expliquent les
groupes fonctionnels et les radicaux en chimie organique et
synthétisent , pour la premiére fois, la benzaldéhyde. Liebig, un
chimiste allemand, donne d'importantes contributions à la chimie
agricole et biologique et travaille 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.
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Mi-1800
En 1840, Germain Hess (1802-1850) propose 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 (1818-1884) obtient l'acide acétique à partir de
sources complètement inorganiques, réfutant de nouveau le
vitalisme.
En 1848, William Thomson (1824-1907), premier Baron Kelvin (communément
connu sous le nom de Lord Kelvin) crée le concept du zéro absolu, la
température à laquelle cesse tout mouvement moléculaire.
En 1849, Louis Pasteur (1822-1895) découvre 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 (1825-1863) propose 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 crée la technique analytique
connue sous le nom de spectrophotométrie.
En 1855, Benjamin Silliman Jr.(1816-1885) pionnier des méthodes de
craquage du pétrole, rend 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 (1826-1910) 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 découvre que lorsque la benzaldéhyde
est traitée 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 montre qu'un retour complet aux idées d’Avogadro peut être
utilisé pour construire une structure théorique cohérente et robuste
qui correspond à presque toutes les preuves empiriques disponibles. Par
exemple, il montre que les gaz élémentaires ne sont pas tous
constitués de deux atomes par molécule, certains sont
monoatomiques, la plupart sont diatomiques, et quelques-uns sont encore
plus complexes.
Un autre point de discorde sont 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 Kékulé, Wurtz
et d’ 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.
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Perkin, Kekulé, Crookes et Nobel
En 1856, Sir William Henry Perkin (1838-1907), 18 ans, lors d’un défi
de son professeur, Auguste Wilhelm von Hofmann, cherche à synthétiser
la quinine, le médicament anti malaria, à partir du goudron de houille.
Dans une des tentatives, Perkin oxyde 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 note une
portion pourpre de la solution : ce sous-produit fut le premier
colorant synthétique, connu sous le nom de 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 du chimiste allemand Friedrich August
Kekulé von Stradonitz (1828-1896) est sa théorie structurale de
la composition organique, décrite dans deux articles publiés en 1857 et
en 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 – peuvent 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 ,l’azote et le
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 (1831-1892) publie une théorie
essentiellement similaire presque simultanément et le chimiste russe
Alexandre Butlerov (1828-1886) contribue à clarifier et à élargir la
théorie de la structure. Cependant, ce sont les principales idées de
Kékulé qui prévalent dans la communauté chimique.
Le chimiste et physicien britannique William Crookes(1832-1919) 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 (1811-1899) 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 expose la parkesine (la cellulose), l'un des
premiers polymères synthétiques, à l'Exposition internationale de
Londres. Cette découverte constitue la base de l'industrie des
plastiques modernes.
En 1864, Cato Guldberg (1836-1902) et Peter Waage (1833-1900), se
basant sur les idées de Claude Louis Berthollet (1748-1822), proposa la
loi d'action de masse. En 1865, Johann Josef Loschmidt (1821-1895)
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 (1835-1917) 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 à une substance absorbante inerte comme
le kieselguhr (terre de diatomées), elle devint plus sûre et plus
facile à manipuler. Il brevette ce mélange en 1867
comme dynamite. Nobel combine 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 d’une multitude de
combinaisons similaires, modifiées par l'addition de nitrate de
potassium et autres substances.
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Le 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 par Dmitri Mendeleïev
(1834-1907) 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 assembler. Initialement, il avait l’idée de résoudre,
pour ses étudiants, certains de ses doutes dans le domaine. Mendeleïev
constata 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 et 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, le
tableau commenca à gagner une large acceptation. Les preuves suivies 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 (1820-1886), qui a publié l'hélice
tellurique, une première version, en trois dimensions, de la table
périodique des éléments en 1862, John Newlands (1837-1898), qui a
proposé la « loi des octaves » (un précurseur à la loi périodique) en
1864, et Lothar Meyer (1830-1895), 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 (1852-1911) et Joseph Achille Le
Bel (1847-1930), 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 trois 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 observe
l'existence de relations entre l'activité optique et la présence d'un
atome de carbone asymétrique.
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Josiah Willard Gibbs
Le mathématicien et physicien américain Willard Gibbs (1839-1903)
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 travaille sur les
principes de la thermodynamique pour les appliquer aux processus
complexes impliqués dans les réactions chimiques. Il découvre 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 défini 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 considère chaque état de la matière comme une
phase et chaque substance comme un composant. Gibbs prend toutes les
variables impliquées dans une réaction chimique - température, la
pression, l'énergie, le volume et l'entropie - et les inclue dans une
équation simple connue comme la règle des phases de Gibbs.
Cet article est 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 mesure la tendance d'un système physique ou
chimique, dans un processus naturel spontané, de simultanément
abaisser son énergie et augmenter son désordre, ou entropie.
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 (1844-1906) 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 (1831-1879), Gibbs créa 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 examine la relation
entre les lois de la thermodynamique et celles de la théorie
statistique des mouvements moléculaires.
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Fin du XIXe siècle
L'invention de l'ingénieur allemand Carl von Linde(1842-1934) 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 est le premier à les avoir conçues avec l’aide de
calculs précis. En 1895, il mit en place une usine à grande
échelle pour la production d'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 (1859-1927) 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 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(1850-1936), 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(1852-1919) 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 (1850-1930) décrivit les rayons cathodiques,
découverts par la suite comme étant composés d'électrons et les rayons
canaux, découverts 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 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
(1830-1930) 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 découvre la structure octaédrique des complexes de
cobalt, créant ainsi la chimie de coordination.
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Les plus célèbres découvertes du chimiste écossais William
Ramsay(1852-1916) ont été faites en chimie inorganique. Ramsay était
intrigué par l’observation en 1802 du physicien britannique John
Strutt, troisième Baron Rayleigh(1842-1919) que le poids atomique
de l'azote trouvé dans les composés chimiques était inférieur à celui
de l'azote présent dans l'atmosphère. Il attribua cet écart à un
gaz plus léger que l’azote inclus dans ses composés chimiques, 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, on 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 montre que les positions de l'hélium et de l'argon
dans le tableau périodique des éléments indiquent que, au moins plus de
trois gaz nobles pourraient exister. En 1898, Ramsay et le chimiste
britannique Morris W. Travers (1872-1961) isolent ces éléments appelés
néon, krypton et xénon dans l'air amené à l’état liquide à basse
température et haute pression. Sir William Ramsay travaille avec
Frederick Soddy(1877-1956) 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
reçoit en 1904 le prix Nobel de chimie en reconnaissance des “ 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 (1856-1940) découvre l'électron en utilisant le
tube à rayons cathodiques.
En 1898, Wilhelm Wien (1864-1928) démontre
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.
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Pierre et Marie Curie
Marie Sklodowska-Curie (1867-1934) était une physicienne et chimiste
française d'origine polonaise qui est célèbre pour ses recherches
novatrices sur la radioactivité. Elle et son mari ont posé la
première pierre de l'ère nucléaire par leur recherche sur la
radioactivité. Marie était fascinée par l'œuvre d'Henri Becquerel
(1852-1908), un physicien français qui découvrit en 1896 que
l'uranium émet des rayons analogues aux rayons X découverts par Wilhelm
Röntgen (1845-1923). 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 donc 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 séparant 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 découvrit
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. Les Curies travaillèrent ensuite à isoler le polonium et
le radium à partir de composés d'origine naturelle pour prouver qu'ils
étaient de nouveaux éléments. En 1902, les Curies annoncèrent qu'ils avaient produit un décigramme 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 n’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 prouva 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, 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, 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.
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Le chimiste et physicien Ernest Rutherford (1871-1937), 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 comprises 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 (1877-1955), 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
(1882-1945)(connu pour le compteur Geiger) et Ernest
Marsden(1889-1970). Dans l'expérience Geiger-Marsden, un faisceau de
particules alpha généré par la désintégration radioactive du radon est
dirigé sur très mince feuille d'or dans une chambre sous
vide. Selon le modèle de pudding qui prévalait 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. Il observa 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 a 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.
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XXe siècle - Divers progrès
En 1903, Mikhail Tsvet(1872-1919) invente la chromatographie, une technique analytique importante.
En 1904, Hantaro Nagaoka (1865-1950) propose un premier modèle
nucléaire de l'atome, où les électrons sont en orbite autour d'un
noyau massif et dense.
En 1905, Fritz Haber (1868-1934) et Carl Bosch (1874-1940) développent
le procédé Haber de fabrication de l'ammoniac qui est 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 à 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 (1882-1970), proposent 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(1879-1955) explique le mouvement brownien
d'une manière qui définitivement prouva la théorie
atomique. Leo Baekeland (1863-1944) invente la bakélite, l'une des
premières matières plastiques qui obtient un succès commercial.
En
1909, le physicien américain Robert Andrews Millikan (1868-1953) - qui
avait étudié en Europe sous Walther Nernst et Max Planck mesure
la charge des électrons individuels avec une précision sans précédent
par l'expérience de la goutte d'huile, dans laquelle il mesure
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 passe
plusieurs années à étudier et à prouver la relation linéaire proposée
par Albert Einstein entre l'énergie et la fréquence et en fournit le
premier support photoélectrique direct pour la constante de Planck. En
1923, Millikan reçoit le prix Nobel de physique.
En 1909, Søren Sørensen (1897-1965) invente le
concept de pH et développe des méthodes pour mesurer l'acidité.
En 1911, Antonius Van den Broek(1870-1926) observe
que les éléments du
tableau périodique sont plus correctement organisées par la charge
nucléaire positive que par le poids atomique.En 1911, la Première
Conférence Solvay à Bruxelles réunit la plupart des scientifiques
les plus éminents de l’époque.En 1912, William Henry Bragg (1862-1942)
et William Lawrence
Bragg (1890-1971) proposent la loi de Bragg et créent le domaine de la
cristallographie de rayons X, un outil important pour élucider la
structure cristalline des substances. En 1912, Peter Debye (1884-1966)
développe le concept de dipôle
moléculaire pour décrire la distribution de charge asymétrique dans
certaines molécules.
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Niels Bohr, Moseliy, Soddy
En 1913, Niels Bohr (1885-1962), physicien danois, adapte les concepts
de la mécanique quantique à la structure atomique en proposant ce qui
est maintenant connu comme le modèle de 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 émet également
l'hypothèse que le rayonnement électromagnétique est absorbé ou 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 (1887-1915), 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 radio-chimie 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 spectrométrie de masse.
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Le chimiste américain Gilbert N. Lewis (1875-1946) 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 (1881-1957), qui
entre 1919 et 1921 popularisa et développa le modèle de Lewis.
Langmuir introduisit ensuite le terme de liaison covalente.
En 1921, Otto Stern ( 1888-1968) et Walther Gerlach (1889-1976)
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: il 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 (1888-1950) 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 (1872-1941), Robert Robinson (1886-1975), Thomas
Lowry(1874-1936) et Christopher Ingold (1893-1970); tandis qu’en chimie
de coordination, le modèle de liaison de Lewis a été encouragé par les
efforts du chimiste américain Maurice Huggins(1897-1981) et du chimiste
britannique Nevil Sidgwick (1873-1952).
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Mécanique quantique
En 1924, le physicien quantique français Louis de Broglie (1892-1987)
publia sa thèse, dans laquelle il présente une théorie des ondes
électroniques basée 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 (1900-1958) 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.
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Équation de Schrödinger
En 1926, à l'âge de 39 ans, le physicien autrichien Erwin Schrödinger
(1887-1961) produit les documents qui ont fourni les bases de la
mécanique 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
introduit une théorie décrivant le comportement d'un tel système par
une équation d'onde qui est maintenant connue 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 liées 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 (1901-1976) est l'un des
principaux créateurs de la mécanique quantique. En 1925, Heisenberg
découvre un moyen de formuler la mécanique quantique en termes de
matrices. Pour cette découverte, il reçoit le prix Nobel de
physique en 1932. En 1927, il publie 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 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.
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La chimie et la biologie
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
(1928- ) et Francis Crick (1916-2004) élucidèrent la
structure en double hélice de l'ADN en construisant des modèles basés
sur la connaissance de la chimie des éléments constitutifs et sur les
motifs de diffraction des rayons X obtenus par Rosalind Franklin
(1920-1958). Cette découverte conduit à une explosion de la recherche
sur la biochimie de la vie.
Dans la même année, l'expérience de Miller (Stanley 1930-2007)-Urey
(Harold 1893-1981) 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 (1944- ) 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 (1930- ) et
Frank Stahl (1929- ). 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.
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