PREHISTOIRE ET ANTIQUITE

PREHISTOIRE ET ANTIQUITE

En cette époque lointaine, la chimie est utilisée en pratique, pour la transformation de la matière. Les connaissances sont précaires, mais le savoir de l'époque est une base très importante. L'homme utilise des substances qu'il trouve facilement dans la nature, développant ainsi des connaissances dans les domaines suivants :

Les premières théories, contre expérience, en relation avec la chimie, sont établies par les philosophes grecs :

• Démocrite émet sa théorie de l'atome : pour lui, la matière est formée d'entités élémentaires, les atomes, dont la forme tantôt lisse, tantôt crochue, expliquerait les différents états ( solide et liquide ) et les différences de densité, les atomes, plus ou moins gros et lourds, s'accrochant entre eux ou glissant les uns sur les autres.

La théorie élémentale est la plus crédible à l'époque : elle repose sur l'idée que les quatre éléments définis par Empédocle, Platon et Aristote, l'eau, le feu, l'air et la terre se combinent entre eux pour former la matière. Aristote attribue à chaque élément deux qualités qui le caractérisent. Cette théorie sera la base de l'alchimie.

DU IVème SIECLE AVANT JC A LA RENAISSANCE (XVIIème SIECLE)

L'alchimie ( en arabe, "Al-Kimiya", qui signifie "pierre philosophale" ) trouve son berceau à Alexandrie : plus qu'une philosophie expérimentale, c'est un art sacré, ésotérique, basé sur la théorie élémentale de Platon. Elle s'étend ensuite en Grèce, en Italie, puis se propage dans toute l'Europe occidentale.

Les alchimistes, comme Roger Bacon, Raymond Lulle, Albert le Grand, Arnaud de Villeneuve au Moyen-Age, cherchaient en premier lieu un corps capable de transmuter en or ou en argent des métaux moins nobles comme le fer ou le plomb. ( A l'époque, sept métaux sont connus : or, cuivre, fer, étain, argent, plomb, mercure ). Ils ont également l'idée de trouver la formule de "l'Elixir de Longue Vie", qui prévient le vieillissement, voire empêche la mort.

On peut ainsi noter un développement impressionnant de l'instrumentation et des manipulations :

La théorie des Principes : Les alchimistes introduisent un cinquième élément ( la quintessence ), et complètent la théorie d'Aristote ( l'attribution de deux qualités à chaque élément ), par la théorie des Principes : trois "principes", trois symboles permettent la transformation de la matière ( le principe Soufre représente le masculin, le principe Mercure représente le féminin, le principe Sel assure la cohésion du masculin et du féminin, il représente la vie ). En effet, les alchimistes pensent transformer une matière dotée de certaines propriétés en l'associant à un autre corps qui présente les propriétés antagonistes : par exemple, pour transformer un corps actif, chaud, solide, c'est-à-dire qui présente les caractéristiques du Principe Soufre, masculin, il faudra lui associer son "contraire", un corps opposé passif, froid, malléable, volatile, féminin. Il sera bien plus tard démontré que d'un point de vue énergétique, cette théorie des Principes est impossible.

L'alchimie attira également quelques "charlatans", qui transformèrent l'alchimie en exercice de sorcellerie : en 1404, le Parlement interdit la fabrication de l'or par alchimie ( mais elle est encore longtemps acceptée par les monarques en général, avides de richesse ). Les bûchers et pendaisons d'alchimistes furent de plus en plus fréquents, notamment en Allemagne, particulièrement sensible à l'accusation de la sorcellerie.

Les origines de la chimie proprement dite remontent réellement au XVIème siècle, où les hommes, humanistes, philosophes et scientifiques se rencontrent à travers leurs travaux respectifs : nombreux sont les ouvrages qui accordent une importance particulière aux nouvelles techniques : distillation, innovations dans la métallurgie. La chimie connait alors un fort développement, car c'est une réaction intellectuelle contre l'Église, celle-ci condamnant les explications qui excluent l'intervention de Dieu. Après que Nicolas Copernic aie émis sa théorie de l'héliocentrisme , les savants osent effectivement exprimer librement leur théories :

• En 1556, Agricola publie son "De re metallica", qui décrit les techniques d'extraction, les procédés métallurgiques.
• A la même époque, Paracelse fait faire des progrès considérables aux théories sur la transmutation et la nature des métaux : il crée alors la iatrochimie, ancêtre de la chimie pharmaceutique.

XVIIème SIECLE

Les découvertes se multiplient (identification de nouveaux éléments, de nouveaux composés, développement de l'appareillage...), mais d'un point de vue théorique, la confusion règne : il manque encore des bases importantes à la construction d'un raisonnement scientifique.

La chimie s'étend à plusieurs domaines :

• La iatrochimie : la chimie est utilisée au sein de la recherche médicamenteuse et médicale.
• La chimie technique : introduite par Georg Bauer au XVIème siècle, il s'agit de la chimie métallurgique.
• La chimie préparative : Jan Baptist Van Helmont étudie l'état gazeux, puisqu'il découvre qu'il existe d'autres gaz que l'air ambiant.
• La chimie des combustions : Jean Rey montre que l'air joue un rôle important dans une réaction de combustion.

Les phénomènes de combustion, de chaleur, de fonte des métaux sont étudiés par les alchimistes, encore présents, mais en déclin. En effet, on commence à rejeter la théorie élémentale, et Pierre Gassendi choisit de revaloriser la théorie atomique et corpusculaire de Démocrite, sans pour autant avancer l'idée que la cohésion d'un corps s'explique par l'existence d'atomes plus ou moins crochus, plus ou moins gros...

En 1650, Glauber fonde à Amsterdam une usine chimique de savon et de verre, ancrant ainsi la chimie dans l'économie nationale.

Nicolas Lémery publie le premier grand traité de chimie en 1675.

Isaac Newton définit la chimie comme étant le lieu de forces d'attraction ou de répulsion, capables de déplacer par l'intermédiaire d'un sel le métal dans un autre corps. Il établit par différentes expériences la première échelle d'oxydo-réduction des métaux.

A la fin du XVIIème siècle, Georg Ernst Stahl fait naître la théorie du phlogistique (phlogistos = inflammable ) qui semble fournir une explication satisfaisante aux principaux phénomènes chimiques connus. Le feu est considéré comme un matériau entrant dans la composition des corps : ainsi, chaque fois qu'il y a combustion, c'est parce que le phlogistique, le feu fixé dans la matière, s'en échappe. De plus, plus un corps contient de phlogistique et mieux il brûle ( le charbon est considéré comme du phlogistique pur ). Plus tard on démontrera que cette théorie ne satisfait pas aux mécanismes de l'oxydation, mais celle-ci a le grand mérite d'avoir mis pour la première fois en avant le fait que les réactions chimiques se produisent selon des processus bien définis.

XVIIIème SIECLE

Au XVIIIème siècle, cette théorie du phlogistique ayant fait sa révolution, elle prend fin au moment où l'on découvre réellement ce qu'est l'oxydation (qui prône le rôle du dioxygène dans la combustion ), et où l'on commence à isoler les gaz. Cette chimie anti-phlogistique est alors appelée chimie pneumatique : c'est la chimie des gaz, qui séduit la plupart des chimistes : Cavendish, Scheele, Priestley...

• Joseph Black révolutionne la pensée chimique en découvrant qu'un gaz peut être fixé dans un composé solide.
• Robert Boyle invente le principe de la cuve à eau en 1719.
• Cavendish isole le dihydrogène, "l'air inflammable".
• En 1770, Priestley et Scheele découvrent le dioxygène.
• En 1790, Lavoisier est en mesure de prouver que la combustion résulte de la combinaison de l'oxygène de l'air avec le combustible ; Lavoisier ruine ainsi toute la théorie du phlogistique.

Le XVIIIème siècle marque aussi l'ère des lois pondérales et volumiques, qui représentent un réel développement de la chimie. On fait particulièrement appel aux notions de physiques pour distinguer les éléments de part leur densité, masse..., c'est pourquoi les chercheurs de l'époque sont bien souvent chimistes et physiciens en même temps ( Gay-Lussac, Davy, Faraday, Berzélius... ) :

• Lavoisier émet sa loi de conservation de la masse en s'appuyant sur le célèbre "Rien ne se perd, rien ne se crée" d'Anaxagore de Clazomènes.
• Berthollet introduit la notion d'équilibre chimique et établit les règles qui permettent de prévoir le sens d'une réaction.
• Joseph Louis Proust établit qu'un corps pur a une composition chimique unique et constante : "A un composé pur ne correspond qu'une seule formule brute".
• Loi d'Avogadro-Ampère : "Dans les mêmes conditions de température et de pression, des volumes égaux de composés contiennent le même nombre de molécules". La confusion entre atome et molécule sera corrigée par Charles Gerhardt.

L'industrie chimique prend de l'importance en Europe :

• Leblanc met au point et adapte à l'industrie un procédé de fabrication de la soude.
• L'Angleterre voit naître les premières fabriques d'acide sulfurique.
• Au moment de la Révolution française, le sucre par exemple, antérieurement extrait de la canne à sucre d'origine coloniale, est préparé à partir de la betterave.

XIXème SIECLE

En 1808, John Dalton relance la théorie atomique : chaque corps est formé de particules en mouvement, les atomes, différents d'un élément à un autre, et ceci de par leur masse et leurs dimensions spécifiques. Dalton établit alors une table des éléments pour classifier les différents atomes connus, certes erronée mais très pratique à l'époque : il attribue un symbole ( une lettre ) à chaque atome, et une formule à chaque molécule.

La chimie joue un rôle au niveau de l'électricité : la chimie physique prend à partir de ce moment une réelle importance :

• Volta crée les premières piles à base de zinc et d'argent.
• Carlisle et Nicholson effectuent l'électrolyse de l'eau : c'est la naissance de l'électrochimie.

C'est au Suédois Berzélius que l'on doit une première théorie, dite théorie dualistique portant sur les liaisons chimiques : tous les éléments contiennent des particules chargées positivement ou négativement, ces charges étant maintenues ensemble par des forces d'attraction. Ces notions donneront lieu à une réflexion sur le lien entre la chimie et l'électricité : on aura ainsi la mise en place d'une table de potentiel rédox, qui classe les 54 éléments recensés de l'époque selon leur caractère plus ou moins électronégatif ( ou électropositif ). Auguste Laurent défend quant à lui sa théorie de la substitution : il remarque que dans une molécule, un élément peut au cours d'une réaction prendre la place d'un autre, sans pour autant modifier le reste de la molécule. Par exemple, L'éthanol CH₃ - COOH traité au chlore devient CCl₃ - COOH : c'est-à-dire que le chlore ( Cl ) fortement négatif d'après Berzélius peut remplacer l'hydrogène ( H ) considéré comme positif. La théorie dualistique est alors abandonnée.

Les années 1820 marquent les débuts de la chimie organique :

• Pour Lavoisier, il s'agit de la chimie des molécules composées des éléments : C ( Carbone ), H ( hydrogène ), O ( oxygène ), P ( phosphore ), N ( azote ).
• Chevreul s'intéresse à la chimie des corps gras, qui sont de longues chaînes carbonées organiques.
• On découvre que des molécules organiques qui ont des propriétés différentes peuvent avoir la même formule brute, c'est à dire être composés du même nombre d'éléments C, H, O, P, N : ce sont des isoméries ( l'explication est apportée par Berzélius : les atomes sont assemblés entre eux par des liaisons de valence, mais ces assemblages sont différents d'un isomère à un autre ).

A partir de cela, on travaille de plus en plus précisément au niveau de l'atome et de ses possibilités de liaison :

• Dumas et Laurent montrent en 1834 que le carbone C est tétravalent, c'est à dire qu'il se lie à quatre autres éléments ou groupes d'éléments en même temps.
• Cette découverte mène alors à la stéréochimie : Joseph Le Bel et Van't Hoff établissent la théorie du carbone asymétrique, où un carbone tétravalent est relié à 4 groupements différents entre eux.
• Boutlerov poursuit ce travail et perfectionne la théorie : une molécule comprenant au moins un carbone asymétrique est dite chirale.

Durant la première moitié du XIXème siècle, la confusion entre un atome et une molécule gène considérablement l'élaboration de nouvelles théories. En effet, un problème n'est toujours pas résolu : comment les éléments sont-ils associés dans les composés ? En 1860 a lieu le premier congrès international de chimie, à Karlsruhe. On essaye de comprendre la différence entre l'atome, l'élément et la molécule. Pour Kekule, "une molécule est un groupe d'atomes parfaitement identiques ne se décomposant que dans les réactions chimiques". On projette de faire une classification de tous les éléments connus, sous forme de tableau. On soumet plusieurs idées, mais c'est celle de Mendeleïev qui sera retenue en 1871 : il range les éléments par ordre croissant de leurs poids atomiques respectifs, et selon leurs propriétés chimiques, plus ou moins semblables entre eux. Il réintroduit la notion de liaison chimique, puisqu'il tient compte du fait qu'un élément a une valence comprise entre un et quatre, c'est-à-dire que selon sa nature, il peut se lier avec un, deux, trois, ou quatre autres éléments. Dans son tableau de classification, il laisse volontairement certains endroits vides, car il prévoit l'existence d'éléments encore inconnus. Ce tableau sera en effet corrigé et complété au fil des découvertes :

• En 1858, 44 éléments sont connus.
• En 1860, la chimie s'associe à l'optique : l'étude des spectres lumineux permettent d'identifier de nouveaux éléments jusqu'alors inconnus ( césium, rubidium, thallium, iridium, lithium, gallium, samarium... ).
• En 1892, John William Rayleigh met en évidence les gaz rares par les calculs de leurs densités par rapport à l'air ambiant. On découvre ainsi l'Argon ( 1894 ), l'Hélium ( 1895 ), le Néon ( 1898 ), le Krypton ( 1898 ), le Xénon ( 1898 ) et le Radon ( 1900 ). Les gaz rares occuperont la huitième colonne du tableau de Mendeleïev.

Le XIXème siècle marque également la naissance de la chimie des couleurs et de la spectrochimie :

• Deux sels de natures différentes ( sel de sodium, sel de potassium... ) donnent à une flamme une couleur différente.
• Eilhard Mitcherlich publie en 1844 sa loi de l'isomorphisme : par l'étude coordonnée des acides tartrique et racémique, il a pu conclure que deux cristaux qui ont la même forme ont des propriétés optiques différentes. Louis Pasteur associe l'isomérie à ce phénomène, et montre qu'une infime différence entre les formules de deux molécules est à l'origine des propriétés lévogyre ou dextrogyre des cristaux ( c'est à dire que pour une molécule lévogyre, le plan de polarisation de la lumière tourne vers la gauche, tandis que pour une molécule dextrogyre, celui-ci tourne vers la droite ).

On réalise également pendant ce siècle d'autres découvertes, d'autres progrès divers, qui améliorent particulièrement la qualité des expériences :

• On démontre que les conditions de température, de pression, dans lesquelles se déroule une expérience sont déterminantes pour la validité des résultats.
• Gerhardt émet sa théorie des résidus : une réaction chimique se fait en deux étapes : la séparation des différents groupements atomiques, puis la copulation des fragments par l'intermédiaire de résidus.
• Lavoisier élabore le critère de pureté d'un composé, c'est sa température de fusion ou d'ébullition.
• En 1851, A. Genth publie son rapport sur les complexes chimiques qui seront étudiés plus tard et permettront des découvertes diverses : de nouvelles sortes d'isoméries, des complexes de coordination, une révision par Werner du modèle de Kekule à propos de la constance de la valence...
• Robert Wilhelm Bunsen met au point une technique de chauffage très performante, le bec Bunsen, qui permet un chauffage plus homogène, donc des résultats plus précis dans les expériences.
• 1877 marque la découverte des procédés d'alkylation et d'acylation des composés aromatique.

Un vaste domaine d'étude s'ouvre à la chimie :

Les chimistes font la synthèse de nouvelles molécules, ce qui permet par ailleurs la naissance de l'industrie chimique en Angleterre, en France mais surtout en Allemagne, qui acquiert à la fin du siècle une primauté incontestée en ce qui concerne l'industrie et la recherche chimiques :

Les différentes fonctions chimiques, radicaux, types... sont découvert progressivement à travers le siècle :

En 1887, Svante Arrhenius soumet son idée à propos de l'existence des ions, particules chargées électriquement, libres dans les liquides.

En 1897, Joseph John Thomson met en évidence l'électron : cette découverte va être primordiale par la suite, puisqu'au XXème siècle, les chimistes vont énormément travailler sur cette particule.

XXème SIECLE

Au XXème siècle, les chimistes s'interrogent sur ce que peut être l' "infiniment petit". Dans un premier temps, tous vont chercher à connaître l'électron et grâce à ces recherches, ils vont trouver de nouvelles particules :

• En 1905, l'effet photoélectrique est expliqué : un métal reçoit de la lumière, des électrons sont émis et se déplacent selon une certaine longueur d'onde qui dépend de la nature du métal. Albert Einstein rend le photon responsable de l'émission des électrons. Il détermine par ailleurs la masse du photon selon la célèbre formule : E = mc² ( E représente l'énergie nécessaire pour éjecter un électron, m est la masse du photon, c est la célérité, la vitesse de la lumière ).
• En 1907, Thomson prouve que l'atome est entouré d'électrons disposés sur plusieurs couches. C'est la couche électronique externe qui détermine la valence chimique de chaque atome, donc la place de celui-ci dans le tableau de Mendeleïev.
• En 1916, Gilbert Newton Lewis fait apparaître la notion de doublets d'électrons : l'association de deux électrons est une liaison covalente. Irwing Langmuir introduit les notions d'octet et de règle de l'octet : la couche électronique externe peut contenir 8 électrons, associés en 4 paires doublets. Les gaz rares ont une couche externe saturée, ce qui leur confère une plus grande stabilité chimique que les autres éléments.
• En 1926, Bloch propose un modèle pour expliquer comment les électrons se déplacent sans percuter de noyau. En 1928, Sommerfeld corrige les erreurs de ce modèle, appelé par Drude "modèle du gaz d'électrons libres". Il porte aujourd'hui le nom de "modèle de Drude-Sommerfeld".

Après l'électron et le photon, les scientifiques imaginent qu'il doit encore exister d'autres sortes de particules :

• En 1915, Einstein montre que la lumière est en fait une onde composée de particules. De Broglie prouve alors la dualité onde-corpuscule, en démontrant en 1923 que la particule électron peut aussi dans certains cas être considérée comme une onde.
• En 1919, Lord Ernest Rutherford appelle l'ion hydrogène H⁺ "proton", tandis que les Joliot-Curie découvrent une nouvelle particule : le neutron, qui ne sera réellement isolé et étudié qu'en 1932 par Sir James Chadwick.

Dans le domaine de la chimie mécanistique, Arthur Lapworth étudie en 1903 le phénomène connu mais jusqu'alors resté inexpliqué de la réaction chimique, c'est-à-dire des ruptures et formations des liaisons atomiques. Il s'appuie principalement sur la formation des cyanhydrides, utilise des méthodes colorimétrique et cinétique ( vitesse de réaction ). Il constate que certains produits catalysent la réaction ( soude ), alors que d'autres peuvent ralentir celle-ci ( acide ). Ceci lui permet d'établir un raisonnement certes simple, mais exemplaire pour le développement de l'industrie chimique, puisque celle-ci en utilisant des catalyseurs va pouvoir améliorer sa production.

En 1914, Werner réussit à démontrer que deux molécules peuvent être chirales sans pour autant comporter de carbone asymétrique. Il trouve par ailleurs des isomères d'ionisation, d'hydratation, de coordination.

La découverte de la radio-activité par Becquerel et les Joliot-Curie marqua une révolution des théories sur la structure des atomes, leurs liaisons et leurs modes de réaction :

• Niels Bohr propose en 1915 un premier modèle de la structure électronique des atomes, mettant ainsi les bases de la théorie atomique moderne.
• De nombreux savants se servirent de la radio-activité pour synthétiser des éléments n'existant pas à l'état naturel.
• Les matériaux radio-actifs étant des sources importantes d'énergie, on commencera dans la deuxième moitié du siècle à construire des centrales thermonucléaires, destinées à la production d'électricité.

La biochimie prend de plus en plus d'importance et de nombreux laboratoires sont créés dans différents pays. Un siècle de travail intense dans ce domaine permettra de déterminer les structures de nombreuses molécules :

D'un point de vue industriel, on peut peut-être reconnaître un "avantage" de la Première Guerre Mondiale qui a énormément favorisé la recherche et le développement industriels : L'Allemagne fut obligée de fabriquer les matières premières nécessaires à son effort de guerre ( acide nitrique et nitrates pour les explosifs par exemple ), tandis que les autres pays, qui dépendaient de l'industrie allemande durent créer eux-mêmes leurs propres industries chimiques.

Malheureusement, au XXème siècle, la chimie n'est pas toujours utilisée pour des fins pacifiques : par exemple la radio-activité est devenue un moyen d'extermination, comme l'épreuve de la Seconde Guerre Mondiale nous l'a tragiquement démontré. De nos jours encore, la radio-activité et la chimie atomique pèsent lourdement dans les rapports internationaux et constituent une menace pour la survie de la civilisation.

XXIème SIECLE

De nos jours, nombreux sont les ouvrages publiés chaque année, et qui touchent au domaine de la chimie. En effet, les découvertes scientifiques se succèdent tant et si bien qu'il est très difficile de suivre assidûment les progrès réalisés. Ainsi, deux remarques se dégagent de cette idée :