Histoire de la chimie - History of chemistry

Le tableau périodique de 1871 construit par Dmitri Mendeleev . Le tableau périodique est l'une des icônes les plus puissantes de la science, se trouvant au cœur de la chimie et incarnant les principes les plus fondamentaux du domaine.

L' histoire de la chimie représente une période allant de l'histoire ancienne à nos jours. En 1000 avant JC, les civilisations utilisaient des technologies qui finiraient par former la base des différentes branches de la chimie. Les exemples incluent la découverte du feu, l'extraction de métaux à partir de minerais , la fabrication de poteries et de glaçures, la fermentation de bière et de vin , l'extraction de produits chimiques à partir de plantes pour la médecine et le parfum , la transformation de graisse en savon , la fabrication de verre et la fabrication d' alliages comme le bronze .

La protoscience de la chimie, l' alchimie , n'a pas réussi à expliquer la nature de la matière et ses transformations. Cependant, en réalisant des expériences et en enregistrant les résultats, les alchimistes ont ouvert la voie à la chimie moderne. La distinction a commencé à émerger lorsqu'une distinction claire a été faite entre la chimie et l'alchimie par Robert Boyle dans son ouvrage The Skeptical Chymist (1661). Alors que l' alchimie et la chimie s'intéressent à la matière et à ses transformations, les chimistes sont considérés comme appliquant une méthode scientifique à leur travail.

L'histoire de la chimie se confond avec l' histoire de la thermodynamique , notamment à travers les travaux de Willard Gibbs .

Histoire ancienne

Les premiers humains

Un atelier de traitement de l' ocre vieux de 100 000 ans a été découvert dans la grotte de Blombos en Afrique du Sud . Cela indique que les premiers humains avaient une connaissance élémentaire de la chimie. Les peintures dessinées par les premiers humains composées de premiers humains mélangeant du sang animal avec d'autres liquides trouvés sur les parois des grottes indiquent également une petite connaissance de la chimie.

Métallurgie ancienne

Le premier métal enregistré utilisé par les humains semble être l' or , qui peut être trouvé libre ou « natif ». De petites quantités d'or naturel ont été trouvées dans des grottes espagnoles utilisées à la fin de la période paléolithique , vers 40 000 av.

L'argent , le cuivre , l' étain et le fer météorique peuvent également être trouvés natifs, permettant une quantité limitée de travail des métaux dans les cultures anciennes. Les armes égyptiennes fabriquées à partir de fer météorique vers 3000 av.

On peut soutenir que la première réaction chimique utilisée de manière contrôlée était le feu . Cependant, pendant des millénaires, le feu a été considéré simplement comme une force mystique qui pouvait transformer une substance en une autre (brûler du bois ou de l'eau bouillante) tout en produisant de la chaleur et de la lumière. Le feu a affecté de nombreux aspects des premières sociétés. Celles-ci allaient des facettes les plus simples de la vie quotidienne, telles que la cuisine et le chauffage et l'éclairage de l'habitat, à des utilisations plus avancées, telles que la fabrication de poteries et de briques et la fonte de métaux pour fabriquer des outils.

C'est le feu qui a conduit à la découverte du verre et à la purification des métaux ; cela a été suivi par l'essor de la métallurgie . Au cours des premiers stades de la métallurgie, des méthodes de purification des métaux ont été recherchées, et l'or, connu dans l'Egypte ancienne dès 2900 avant JC, est devenu un métal précieux.

L'Âge de bronze

Certains métaux peuvent être récupérés de leurs minerais par simple chauffage des roches au feu : notamment l' étain , le plomb et (à plus haute température) le cuivre. Ce processus est connu sous le nom de fonte . La première preuve de cette date de la métallurgie extractive de la 6e et 5e millénaire avant notre ère, et a été trouvé dans les sites archéologiques de Majdanpek , Yarmovac et Pločnik , tous les trois en Serbie . À ce jour, la première fonderie de cuivre se trouve sur le site de Belovode ; ces exemples incluent une hache en cuivre de 5500 avant JC appartenant à la culture Vinča . D'autres signes de métaux anciens se trouvent dès le troisième millénaire avant JC dans des endroits comme Palmela (Portugal), Los Millares (Espagne) et Stonehenge (Royaume-Uni). Cependant, comme cela arrive souvent dans l'étude des temps préhistoriques , les débuts ultimes ne peuvent pas être clairement définis et de nouvelles découvertes sont en cours.

Zones minières de l'ancien Moyen-Orient. Couleurs des boîtes : l' arsenic est en brun, le cuivre en rouge, l' étain en gris, le fer en brun rougeâtre, l'or en jaune, l'argent en blanc et le plomb en noir. La zone jaune représente le bronze à l'arsenic , tandis que la zone grise représente le bronze à l' étain .

Ces premiers métaux étaient des éléments isolés, ou bien des combinaisons comme cela se produisait naturellement. En combinant le cuivre et l'étain, un métal supérieur pourrait être fabriqué, un alliage appelé bronze . Ce fut un changement technologique majeur qui a commencé l' âge du bronze vers 3500 avant JC. L'âge du bronze était une période du développement culturel humain où le travail des métaux le plus avancé (au moins dans une utilisation systématique et généralisée) comprenait des techniques de fonte du cuivre et de l' étain à partir d'affleurements naturels de minerais de cuivre, puis de fondre ces minerais pour couler du bronze. Ces minerais naturels comprenaient généralement de l'arsenic comme impureté courante. Les minerais de cuivre/étain sont rares, comme en témoigne l'absence de bronzes à l' étain en Asie occidentale avant 3000 av.

Après l'âge du bronze, l'histoire de la métallurgie est marquée par des armées à la recherche d'un meilleur armement. Les États d' Eurasie ont prospéré lorsqu'ils ont fabriqué des alliages supérieurs, qui, à leur tour, ont fabriqué de meilleures armures et de meilleures armes. Des progrès significatifs en métallurgie et en alchimie ont été réalisés dans l'Inde ancienne .

L'âge de fer

L'extraction du fer de son minerai en un métal exploitable est beaucoup plus difficile que le cuivre ou l'étain. Alors que le fer n'est pas mieux adapté aux outils que le bronze (jusqu'à ce que l' acier soit découvert), le minerai de fer est beaucoup plus abondant et commun que le cuivre ou l'étain, et donc plus souvent disponible localement, sans qu'il soit nécessaire de l'échanger.

Le travail du fer semble avoir été inventé par les Hittites vers 1200 avant JC, au début de l' âge du fer . Le secret de l'extraction et du travail du fer fut un facteur clé du succès des Philistins .

L'âge du fer fait référence à l'avènement du travail du fer ( métallurgie ferreuse ). Les développements historiques de la métallurgie ferreuse peuvent être trouvés dans une grande variété de cultures et de civilisations passées. Ceux-ci comprennent les royaumes et empires anciens et médiévaux du Moyen-Orient et du Proche-Orient, l'Iran ancien , l'Égypte ancienne , la Nubie ancienne et l' Anatolie (Turquie), l' ancienne Nok , Carthage , les Grecs et les Romains de l'Europe ancienne, l'Europe médiévale, l'ancienne et Chine médiévale, Inde ancienne et médiévale, Japon ancien et médiéval, entre autres. De nombreuses applications, des pratiques et des dispositifs associés ou impliqués dans la métallurgie ont été créés dans la Chine ancienne, comme l'innovation du haut fourneau , en fonte , hydrauliques -powered martinets et piston à double effet soufflet .

Antiquité classique et atomisme

Démocrite , philosophe grec de l'école atomistique.

Tentatives philosophiques pour rationaliser pourquoi différentes substances ont des propriétés différentes (couleur, densité, odeur), existent dans différents états (gazeux, liquide et solide) et réagissent de manière différente lorsqu'elles sont exposées à des environnements, par exemple à l'eau, au feu ou à la température changements, ont conduit les philosophes antiques à postuler les premières théories sur la nature et la chimie. L'histoire de ces théories philosophiques liées à la chimie remonte probablement à chaque civilisation ancienne. L'aspect commun à toutes ces théories était la tentative d'identifier un petit nombre d' éléments classiques primaires qui composent toutes les diverses substances de la nature. Des substances telles que l'air, l'eau et le sol/la terre, des formes d'énergie, telles que le feu et la lumière, et des concepts plus abstraits tels que les pensées, l' éther et le ciel, étaient courantes dans les civilisations anciennes, même en l'absence de toute fertilisation croisée : par exemple les philosophies grecques, indiennes, mayas et chinoises considéraient toutes l' air , l' eau , la terre et le feu comme des éléments primaires.

Ancien monde

Vers 420 avant JC, Empédocle a déclaré que toute matière est composée de quatre substances élémentaires : la terre, le feu, l'air et l'eau. La première théorie de l' atomisme remonte à la Grèce antique et à l'Inde antique . L'atomisme grec remonte au philosophe grec Démocrite , qui a déclaré que la matière est composée de particules indivisibles et indestructibles appelées "atomos" vers 380 av. Leucippe a également déclaré que les atomes étaient la partie la plus indivisible de la matière. Cela a coïncidé avec une déclaration similaire du philosophe indien Kanada dans ses sutras Vaisheshika à la même période. De la même manière, il a discuté de l'existence des gaz . Ce que Kanada a déclaré par sutra, Démocrite l'a déclaré par réflexion philosophique. Tous deux souffraient d'un manque de données empiriques . Sans preuve scientifique, l'existence des atomes était facile à nier. Aristote s'est opposé à l'existence des atomes en 330 av. Plus tôt, en 380 avant JC, un texte grec attribué à Polybus affirmait que le corps humain est composé de quatre humeurs . Vers 300 avant JC, Épicure a postulé un univers d'atomes indestructibles dans lequel l'homme lui-même est responsable d'atteindre une vie équilibrée.

Dans le but d'expliquer la philosophie épicurienne à un public romain, le poète et philosophe romain Lucrèce a écrit De rerum natura (La nature des choses) en 50 av. Dans l'ouvrage, Lucrèce présente les principes de l' atomisme ; la nature de l' esprit et de l' âme ; explications de la sensation et de la pensée ; le développement du monde et de ses phénomènes ; et explique une variété de phénomènes célestes et terrestres .

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

Alchimie médiévale

Impression artistique du XVe siècle de Jābir ibn Hayyān (Geber), un alchimiste perso-arabe et pionnier de la chimie organique .
Emblème alchimique du XVIIe siècle montrant les quatre éléments classiques dans les coins de l'image, à côté du tria prima sur le triangle central.

Le système élémentaire utilisé dans l' alchimie médiévale a été développé principalement par l' alchimiste persan - arabe Jābir ibn Hayyān et était enraciné dans les éléments classiques de la tradition grecque. Son système se composait des quatre éléments aristotéliciens de l'air, de la terre, du feu et de l'eau en plus de deux éléments philosophiques : le soufre , caractérisant le principe de combustibilité, « la pierre qui brûle » ; et le mercure , caractérisant le principe des propriétés métalliques. Ils ont été considérés par les premiers alchimistes comme des expressions idéalisées de composants irréductibles de l' univers et sont d'une plus grande considération dans l'alchimie philosophique.

Les trois principes métalliques (soufre à inflammabilité ou combustion, mercure à volatilité et stabilité, et sel à solidité) sont devenus le tria prima de l'alchimiste suisse Paracelse . Il a estimé que la théorie des quatre éléments d'Aristote apparaissait dans les corps comme trois principes. Paracelse considérait ces principes comme fondamentaux et les justifiait par le recours à la description de la combustion du bois au feu. Le mercure incluait le principe de cohésion, de sorte que lorsqu'il quittait le bois (en fumée), le bois s'effondrait. La fumée décrit la volatilité (le principe mercuriel), les flammes génératrices de chaleur décrivent l'inflammabilité (soufre) et les cendres résiduelles décrivent la solidité (sel).

La pierre philosophale

"L'Alchimiste", par Sir William Douglas, 1855

L'alchimie se définit par la quête hermétique de la pierre philosophale , dont l'étude est imprégnée de mysticisme symbolique, et diffère grandement de la science moderne. Les alchimistes ont travaillé dur pour effectuer des transformations au niveau ésotérique (spirituel) et/ou exotérique (pratique). Ce sont les aspects protoscientifiques et exotériques de l'alchimie qui ont fortement contribué à l'évolution de la chimie dans l'Égypte gréco-romaine , à 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 jusqu'au 18ème siècle, elles n'étaient pas des disciplines distinctes. Le terme chimie a été utilisé pour décrire le mélange d'alchimie et de chimie qui existait avant cette époque.

Les premiers alchimistes occidentaux, qui ont vécu dans les premiers siècles de l'ère commune, ont inventé les appareils chimiques. Le bain-marie , ou bain-marie , doit son nom à Marie la Juive . Son travail donne également les premières descriptions des tribikos et des kerotakis . Cléopâtre l'Alchimiste a décrit les 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 alors que la discipline a migré à travers le monde islamique , puis en Europe au XIIe siècle de notre ère.

Pendant la Renaissance, l'alchimie exotérique est restée populaire sous la forme de la iatrochimie paracelsienne , tandis que l'alchimie spirituelle a prospéré, réalignée sur ses racines platoniciennes , hermétiques et gnostiques . Par conséquent, la quête symbolique de la pierre philosophale n'a pas été supplantée par les avancées scientifiques et était encore le domaine de scientifiques et de médecins respectés jusqu'au début du XVIIIe siècle. Les premiers alchimistes modernes qui sont réputés pour leurs contributions scientifiques incluent Jan Baptist van Helmont , Robert Boyle et Isaac Newton .

L'alchimie dans le monde islamique

Dans le monde islamique , les musulmans traduisaient en arabe les travaux des anciens philosophes grecs et hellénistiques et expérimentaient des idées scientifiques. Les travaux arabes attribués à l'alchimiste du VIIIe siècle Jābir ibn Hayyān ont introduit une classification systématique des substances chimiques et ont fourni des instructions pour dériver un composé inorganique ( sal ammoniac ou chlorure d'ammonium ) à partir de substances organiques (telles que les plantes, le sang et les cheveux) en moyens chimiques. Certaines œuvres jabiriennes arabes (par exemple, le "Livre de la Miséricorde" et le "Livre des Soixante-dix") ont ensuite été traduites en latin sous le nom latinisé "Geber", et dans l'Europe du XIIIe siècle, un écrivain anonyme, généralement appelé pseudo -Geber , a commencé à produire des écrits alchimiques et métallurgiques sous ce nom. Plus tard, des philosophes musulmans influents, tels qu'Abū al-Rayhān al-Bīrūnī et Avicenne, ont contesté les théories de l'alchimie, en particulier la théorie de la transmutation des métaux .

Problèmes rencontrés avec l'alchimie

Il y avait plusieurs problèmes avec l'alchimie, comme on le voit du point de vue d'aujourd'hui. Il n'y avait pas de schéma de nommage systématique pour les nouveaux composés, et le langage était ésotérique et vague au point que les terminologies signifiaient différentes choses pour différentes personnes. En fait, selon The Fontana History of Chemistry (Brock, 1992):

Le langage de l'alchimie a rapidement développé un vocabulaire technique mystérieux et secret conçu pour dissimuler des informations aux non-initiés. Dans une large mesure, cette langue est incompréhensible pour nous aujourd'hui, mais il est évident que les lecteurs de Geoffery Chaucer 's Tale Canon Yeoman ou le public de Ben Jonson est l'alchimiste ont pu interpréter suffisamment pour rire.

L'histoire de Chaucer a exposé le côté le plus frauduleux de l'alchimie, en particulier la fabrication d'or contrefait à partir de substances bon marché. Moins d'un siècle plus tôt, Dante Alighieri a également démontré une prise de conscience de cette fraude, l'amenant à renvoyer tous les alchimistes à l' Enfer dans ses écrits. Peu de temps après, en 1317, le pape avignonnais Jean XXII ordonna à tous les alchimistes de quitter la France pour avoir fabriqué de la fausse monnaie. Une loi fut votée en Angleterre en 1403 qui rendit la « multiplication des métaux » punissable de mort. Malgré ces mesures et d'autres apparemment extrêmes, l'alchimie n'est pas morte. La royauté et les classes privilégiées cherchaient encore à découvrir par eux-mêmes la pierre philosophale et l'élixir de vie.

Il n'y avait pas non plus de méthode scientifique convenue pour rendre les expériences reproductibles. En effet, de nombreux alchimistes incluaient 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 semblaient plus utiles pour masquer le fait qu'ils ne pouvaient être sûrs de grand-chose. Dès le XIVe siècle, des fissures semblaient se creuser dans la façade de l'alchimie ; et les gens sont devenus sceptiques. De toute évidence, il devait y avoir une méthode scientifique dans laquelle les expériences pourraient être répétées par d'autres personnes, et les résultats devaient être rapportés dans un langage clair qui exposait à la fois ce qui était connu et ce qui était inconnu.

XVIIe et XVIIIe siècles : Chimie primitive

Agricola, auteur de De re metallica

Les tentatives pratiques pour améliorer le raffinage des minerais et leur extraction pour fondre les métaux étaient une source importante d'informations pour les premiers chimistes du XVIe siècle, parmi lesquels Georg Agricola (1494-1555), qui publia son grand ouvrage De re metallica en 1556. Son L'ouvrage décrit les processus hautement développés et complexes d'extraction de minerais métalliques, d'extraction de métaux et de métallurgie de l'époque. Son approche a supprimé le mysticisme associé au sujet, créant la base pratique sur laquelle d'autres pourraient s'appuyer. L'ouvrage 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 un hasard s'il donne de nombreuses références à l'auteur précédent, Pline l'Ancien et son Naturalis Historia . Agricola a été décrit comme le « père de la métallurgie ».

En 1605, Sir Francis Bacon a publié The Proficience and Advancement of Learning , qui contient une description de ce qui sera plus tard connu sous le nom de méthode scientifique . En 1605, Michal Sedziwój publie le traité d'alchimie Une nouvelle lumière d'alchimie qui proposait l'existence de la "nourriture de la vie" dans l'air, beaucoup plus tard reconnue comme l'oxygène. En 1615, Jean Beguin publia le Tyrocinium Chymicum , un des premiers manuels de chimie, et y dessine la toute première équation chimique . En 1637 René Descartes publie Discours de la méthode , qui contient un aperçu de la méthode scientifique.

L' ouvrage Ortus medicinae du chimiste néerlandais Jan Baptist van Helmont fut publié à titre posthume en 1648 ; le livre est cité par certains comme un travail de transition majeur entre l'alchimie et la chimie, et comme une influence importante sur Robert Boyle . Le livre contient les résultats de nombreuses expériences et établit une première version de la loi de conservation de la masse . Travaillant juste après Paracelse et la iatrochimie , Jan Baptist van Helmont a suggéré qu'il existe des substances non substantielles 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 des scientifiques, van Helmont a mené plusieurs expériences impliquant des gaz. On se souvient également de Jan Baptist van Helmont aujourd'hui en grande partie pour ses idées sur la génération spontanée et son expérience sur les arbres de 5 ans , ainsi que pour être considéré comme le fondateur de la chimie pneumatique .

Robert Boyle

Robert Boyle , l'un des co-fondateurs de la chimie moderne grâce à son utilisation d'une expérimentation appropriée, qui a encore séparé la chimie de l'alchimie
Page de titre du chimiste sceptique , 1661, Chemical Heritage Foundation

Le chimiste anglo-irlandais Robert Boyle (1627-1691) est considéré comme ayant affiné la méthode scientifique moderne pour l'alchimie et avoir séparé la chimie davantage de l'alchimie. Bien que ses recherches trouvent clairement leurs 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 que Boyle n'ait pas été le découvreur original, il est surtout connu pour la loi de Boyle , qu'il a présentée en 1662 : la loi décrit la relation inversement proportionnelle entre la pression absolue et le volume d'un gaz, si la température est maintenue constante dans un système fermé .

Boyle est également crédité pour sa publication historique The Skeptical Chymist en 1661, qui est considérée comme un livre fondamental dans le domaine de la chimie. Dans l'ouvrage, Boyle présente son hypothèse selon laquelle chaque phénomène était le résultat de collisions de particules en mouvement. Boyle a appelé les chimistes à expérimenter et a affirmé que les expériences niaient la limitation des éléments chimiques aux seuls quatre 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 s'élever au statut d'une science. Surtout, il a préconisé 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 certaines des premières idées modernes sur les atomes , les molécules et la réaction chimique , et marque le début de l'histoire de la chimie moderne.

Boyle a également essayé de purifier les produits chimiques pour obtenir des réactions reproductibles. Il était un fervent partisan 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 aux atomes . Il a fait remarquer que la division la plus fine de la matière où les propriétés sont conservées est au niveau des corpuscules. Il a également effectué de nombreuses enquêtes avec une pompe à air et a noté que le mercure tombait au fur et à mesure que l'air était pompé. Il a également observé que pomper l'air d'un conteneur éteindrait une flamme et tuerait les petits animaux placés à l'intérieur. Boyle a aidé à jeter les bases de la révolution chimique avec sa philosophie corpusculaire mécanique . Boyle a répété l'expérience des arbres de van Helmont et a été le premier à utiliser des indicateurs qui changent de couleur avec l'acidité.

Développement et démantèlement du phlogiston

Joseph Priestley , co-découvreur de l'élément oxygène, qu'il a appelé « air déphlogistiqué »

En 1702, le chimiste allemand Georg Stahl a inventé le nom de « phlogiston » pour désigner la substance qui serait libérée lors de la combustion. Vers 1735, le chimiste suédois Georg Brandt a analysé un pigment bleu foncé trouvé dans le minerai de cuivre. Brandt a démontré que le pigment contenait un nouvel élément, nommé plus tard cobalt . En 1751, un chimiste suédois et élève de Stahl nommé Axel Fredrik Cronstedt , a identifié une impureté dans le minerai de cuivre comme un élément métallique séparé, qu'il a nommé nickel . Cronstedt est l'un des fondateurs de la minéralogie moderne . Cronstedt a également découvert le minéral scheelite en 1751, qu'il a nommé tungstène, ce qui signifie « pierre lourde » en suédois.

En 1754, le chimiste écossais Joseph Black isola le dioxyde de carbone , qu'il appela « air fixe ». En 1757, Louis Claude Cadet de Gassicourt , alors qu'il enquêtait sur les composés de l'arsenic, crée le liquide fumant de Cadet , découvert plus tard comme étant de l' oxyde de cacodyle , considéré comme le premier composé organométallique synthétique . En 1758, Joseph Black a formulé le concept de chaleur latente pour expliquer la thermochimie des changements de phase . En 1766, le chimiste anglais Henry Cavendish isola l' hydrogène , qu'il appela « air inflammable ». Cavendish a découvert l'hydrogène comme un gaz incolore et inodore qui brûle et peut former un mélange explosif avec l'air, et a publié un article sur la production d'eau en brûlant de l'air inflammable (c'est-à-dire de l'hydrogène) dans de l'air déphlogistiqué (maintenant connu pour être de l'oxygène), ce dernier un constituant de l'air atmosphérique ( théorie du phlogistique ).

En 1773, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele découvrit l' oxygène , qu'il appela « air de feu », mais ne publia pas immédiatement sa réalisation. En 1774, le chimiste anglais Joseph Priestley isola de manière indépendante l'oxygène à l'état gazeux, l'appelant « air déphlogistiqué », et publia ses travaux 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 a surnommé "air déphlogistiqué" (oxygène). Cependant, la détermination de Priestley à défendre la théorie du phlogistique et à rejeter ce qui allait devenir la révolution chimique l'a finalement laissé isolé au sein de la communauté scientifique.

En 1781, Carl Wilhelm Scheele découvrit qu'un nouvel acide , l'acide tungstique , pouvait être fabriqué à partir de la scheelite de Cronstedt (à l'époque nommée tungstène). Scheele et Torbern Bergman ont suggéré qu'il serait possible d'obtenir un nouveau métal en réduisant cet acide. En 1783, José et Fausto Elhuyar ont trouvé un acide à base de wolframite qui était identique à l'acide tungstique. Plus tard cette année-là, en Espagne, les frères ont réussi à isoler le métal maintenant connu sous le nom de tungstène par réduction de cet acide avec du charbon de bois , et ils sont crédités de la découverte de l'élément.

Volta et la pile voltaïque

Une pile voltaïque exposée dans le Tempio Voltiano (le temple de la Volta) près de la maison de Volta à Côme .

Le physicien italien Alessandro Volta a construit un dispositif pour accumuler une grande charge par une série d'inductions et de mises à la terre. Il a enquêté sur la découverte des années 1780 « l'électricité animale » par Luigi Galvani et a découvert que le courant électrique était généré par le contact de métaux différents et que la cuisse de grenouille n'agissait que comme un détecteur. Volta a démontré en 1794 que lorsque deux métaux et un tissu ou un carton imbibé de saumure sont disposés dans un circuit, ils produisent un courant électrique .

En 1800, Volta empila plusieurs paires de disques de cuivre (ou d' argent ) et de zinc ( électrodes ) en alternance séparés par un tissu ou un carton imbibé de saumure ( électrolyte ) pour augmenter la conductivité de l'électrolyte. Lorsque les contacts supérieur et inférieur étaient reliés par un fil, un courant électrique traversait cette pile voltaïque et le fil de connexion. Ainsi, Volta est crédité de la construction de la première batterie électrique pour produire de l' électricité .

Ainsi, Volta est considéré comme le fondateur de la discipline de l' électrochimie . Une cellule galvanique (ou cellule voltaïque) est une cellule électrochimique qui tire de l'énergie électrique d'une réaction d' oxydoréduction spontanée se déroulant dans la cellule. Il se compose généralement de deux métaux différents reliés par un pont salin , ou de demi-cellules individuelles séparées par une membrane poreuse.

Antoine-Laurent de Lavoisier

Portrait de Monsieur Lavoisier et de sa femme , par Jacques-Louis David

Antoine-Laurent de Lavoisier a démontré par des mesures minutieuses que la transmutation de l'eau à la terre n'était pas possible, mais que les sédiments observés à partir de l'eau bouillante provenaient du récipient. Il brûla du phosphore et du soufre dans l'air et prouva que les produits pesaient plus que les échantillons originaux, la masse gagnée étant perdue dans l'air. Ainsi, en 1789, il établit la loi de conservation de la masse , qui est aussi appelée « loi de Lavoisier ».

Le premier calorimètre à glace au monde, utilisé durant l'hiver 1782-1783, par Antoine Lavoisier et Pierre-Simon Laplace, pour déterminer la chaleur impliquée dans divers changements chimiques ; calculs basés sur la découverte antérieure de la chaleur latente par Joseph Black . Ces expériences marquent le fondement de la thermochimie .

Reprenant les expériences de Priestley, il démontra que l'air est composé de deux parties, dont l'une se combine avec des métaux pour former des chaux . Dans Considérations Générales sur la Nature des Acides (1778), il démontra que « l'air » responsable de la combustion était aussi la source de l'acidité. L'année suivante, il nomma cette partie oxygène (grec pour acide-ancien), et l'autre azote (grec pour pas de vie). En raison de sa caractérisation plus approfondie de celui-ci en tant qu'élément, Lavoisier revendique ainsi la découverte de l'oxygène avec Priestley et Scheele. Il a également découvert que "l'air inflammable" découvert par Cavendish - qu'il appelait hydrogène (grec pour l'eau-ancien) - combiné avec de l'oxygène pour produire une rosée, comme Priestley l'avait rapporté, qui semblait être de l'eau. Dans Réflexions sur le Phlogistique (1783), Lavoisier a montré que la théorie de la combustion du phlogistique était incohérente. Mikhail Lomonosov a établi indépendamment une tradition de la chimie en Russie au XVIIIe siècle; il a également rejeté la théorie du phlogistique et a anticipé la théorie cinétique des gaz . Lomonosov considérait la chaleur comme une forme de mouvement et énonce l'idée de conservation de la matière.

Lavoisier a travaillé avec Claude Louis Berthollet et d'autres pour concevoir un système de nomenclature chimique , qui sert de base au système moderne de dénomination des composés chimiques. Dans ses Méthodes de nomenclature chimique (1787), Lavoisier a inventé le système de dénomination et de classification encore largement utilisé aujourd'hui, y compris des noms tels que l'acide sulfurique , les sulfates et les sulfites . En 1785, Berthollet fut le premier à introduire l'utilisation du chlore gazeux comme agent de blanchiment commercial. La même année, il détermina pour la première fois la composition élémentaire du gaz ammoniac . Berthollet a d'abord 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 faible solution d' hypochlorite de sodium . Le chlorate de potassium (KClO 3 ) est un autre puissant oxydant chloré et agent de blanchiment qu'il a étudié et qu'il a été le premier à produire, connu sous le nom de sel de Berthollet. Berthollet est également connu pour ses contributions scientifiques à la théorie de l'équilibre chimique via le mécanisme des réactions réversibles .

Traité élémentaire de chimie

Le Traité Élémentaire de Chimie de Lavoisier ( Traité élémentaire de chimie, 1789) était le premier manuel de chimie moderne et présentait une vue unifiée des nouvelles théories de la chimie, contenait un énoncé clair de la loi de conservation de la masse et niait l'existence du phlogiston. De plus, il contenait une liste d'éléments ou de substances qui ne pouvaient pas être décomposés davantage, notamment l'oxygène, l' azote , l'hydrogène, le phosphore , le mercure , le zinc et le soufre . Sa liste, cependant, comprenait également la lumière et le calorique , qu'il croyait être des substances matérielles. Dans l'ouvrage, Lavoisier a souligné la base observationnelle de sa chimie, déclarant : « J'ai essayé... d'arriver à la vérité en reliant les faits ; de supprimer autant que possible l'utilisation du raisonnement, qui est souvent un instrument peu fiable qui trompe nous, afin de suivre le plus possible le flambeau de l'observation et de l'expérimentation." Néanmoins, il croyait que l'existence réelle des atomes était philosophiquement impossible. Lavoisier a démontré que les organismes désassemblent et reconstituent l'air atmosphérique de la même manière qu'un corps en feu.

Avec Pierre-Simon Laplace , Lavoisier a utilisé un calorimètre pour estimer la chaleur dégagée par unité de dioxyde de carbone produite. Ils ont trouvé le même rapport pour une flamme et des animaux, indiquant que les animaux produisaient de l'énergie par un type de combustion. Lavoisier croyait en la théorie des radicaux , qui stipulait que les radicaux, qui fonctionnent comme un seul groupe dans une réaction chimique, se combineraient avec l'oxygène dans les réactions. Il croyait que tous les acides contenaient de l'oxygène. Il a également découvert que le diamant est une forme cristalline de carbone.

Bien que de nombreux partenaires de Lavoisier aient été influents pour l'avancement de la chimie en tant que discipline scientifique, son épouse Marie-Anne Lavoisier était sans doute la plus influente de toutes. A leur mariage, Mme. Lavoisier a commencé à étudier la chimie, l'anglais et le dessin afin d'aider son mari dans son travail soit en traduisant des papiers en anglais, une langue que Lavoisier ne connaissait pas, soit en tenant des registres et en dessinant les divers appareils que Lavoisier utilisait dans ses laboratoires. Grâce à sa capacité à lire et à traduire des articles de Grande-Bretagne pour son mari, Lavoisier a eu accès à la connaissance de nombreuses avancées chimiques se produisant en dehors de son laboratoire. De plus, Mme. Lavoisier tenait des registres du travail de son mari et veillait à ce que ses travaux soient publiés. Le premier signe du véritable potentiel de Marie-Anne en tant que chimiste dans le laboratoire de Lavoisier est venu lorsqu'elle traduisait un livre du scientifique Richard Kirwan . En traduisant, elle est tombée sur et a corrigé plusieurs erreurs. Lorsqu'elle a présenté sa traduction, ainsi que ses notes, à Lavoisier, ses contributions ont conduit à la réfutation de Lavoisier de la théorie du phlogistique.

Lavoisier a apporté de nombreuses contributions fondamentales à la science de la chimie. À la suite de ses travaux, la chimie a acquis un caractère quantitatif strict, permettant de faire des prédictions fiables. La révolution de la chimie qu'il a provoquée était le résultat d'un effort conscient pour intégrer toutes les expériences dans le cadre d'une théorie unique. Il a établi l'utilisation cohérente de l'équilibre chimique, a utilisé l'oxygène pour renverser la théorie du phlogistique et a développé un nouveau système de nomenclature chimique. D'autres contributions potentielles ont été interrompues lorsque Lavoisier a été décapité pendant la Révolution française .

19ème siècle

En 1802, le chimiste et industriel franco-américain Éleuthère Irénée du Pont , qui a appris la fabrication de poudre à canon et d'explosifs sous Antoine Lavoisier, a fondé un fabricant de poudre à canon dans le Delaware connu sous le nom d' EI du Pont de Nemours and Company . La Révolution française a forcé sa famille à déménager aux États-Unis où du Pont a commencé un moulin à poudre sur la rivière Brandywine dans le Delaware. Voulant faire la meilleure poudre possible, du Pont était vigilant sur la qualité des matériaux qu'il utilisait. Pendant 32 ans, du Pont a été président de EI du Pont de Nemours and Company, qui est finalement devenu l'une des entreprises les plus importantes et les plus prospères d'Amérique.

Tout au long du 19ème siècle, la chimie a été divisée entre ceux qui ont suivi la théorie atomique de John Dalton et ceux qui ne l'ont pas fait, comme Wilhelm Ostwald et Ernst Mach . Bien que des partisans de la théorie atomique comme Amedeo Avogadro et Ludwig Boltzmann aient fait de grands progrès dans l'explication du comportement des gaz , ce différend n'a finalement été réglé que lorsque Jean Perrin a mené une enquête expérimentale sur l'explication atomique d' Einstein du mouvement brownien au cours de la première décennie de le 20ème siècle.

Bien avant que le différend ne soit réglé, beaucoup avaient déjà appliqué le concept d'atomisme à la chimie. Un exemple majeur était la théorie des ions de Svante Arrhenius qui anticipait des idées sur la sous-structure atomique qui ne se sont pleinement développées qu'au 20ème siècle. Michael Faraday était un autre des premiers chercheurs, dont la contribution majeure à la chimie était l' électrochimie , dans laquelle (entre autres choses) une certaine quantité d'électricité pendant l' électrolyse ou l' électrodéposition de métaux s'est avérée être associée à certaines quantités d'éléments chimiques et à des quantités fixes de éléments donc les uns avec les autres, dans des proportions spécifiques. Ces découvertes, comme celles des rapports de combinaison de Dalton, étaient les premiers indices de la nature atomique de la matière.

John Dalton

On se souvient de John Dalton pour ses travaux sur les pressions partielles dans les gaz, le daltonisme et la théorie atomique

En 1803, le météorologue et chimiste anglais John Dalton a proposé la loi de Dalton , qui décrit la relation entre les composants d'un mélange de gaz et la pression relative que chacun contribue à celle du mélange global. Découvert en 1801, ce concept est également connu sous le nom de loi des pressions partielles de Dalton.

Dalton a également proposé une théorie atomique moderne en 1803 qui a déclaré que toute la matière était composée de petites particules indivisibles appelées atomes, les atomes d'un élément donné possèdent des caractéristiques et un poids uniques, et trois types d'atomes existent : simple (éléments), composé (molécules simples ) et complexe (molécules complexes). En 1808, Dalton publia pour la première fois le Nouveau Système de Philosophie Chimique (1808-1827), dans lequel il esquissa la première description scientifique moderne de la théorie atomique. Ce travail a identifié les éléments chimiques comme un type spécifique d'atomes, rejetant ainsi la théorie des affinités chimiques de Newton .

Au lieu de cela, Dalton a déduit les proportions d'éléments dans les composés en prenant des rapports de poids de réactifs, fixant le poids atomique de l'hydrogène à un identique. À la suite de Jeremias Benjamin Richter (connu pour avoir introduit le terme stoechiométrie ), il a proposé que les éléments chimiques se combinent dans des rapports entiers. Ceci est connu comme la loi des proportions multiples ou la loi de Dalton, et Dalton a inclus une description claire de la loi dans son Nouveau Système de Philosophie Chimique . La loi des proportions multiples est l'une des lois fondamentales de la stoechiométrie utilisées pour établir la théorie atomique. Malgré l'importance de l'ouvrage en tant que première vue des atomes en tant qu'entités physiques réelles et de l'introduction d'un système de symboles chimiques, New System of Chemical Philosophy consacre presque autant d'espace à la théorie calorique qu'à l'atomisme.

Le chimiste français Joseph Proust a proposé la loi des proportions définies , qui stipule que les éléments se combinent toujours dans de petits rapports de nombres entiers pour former des composés, sur la base de plusieurs expériences menées entre 1797 et 1804. Parallèlement à la loi des proportions multiples, la loi des proportions définies forme base de la stœchiométrie. La loi des proportions définies et de la composition constante ne prouve pas que les atomes existent, mais ils sont difficiles à expliquer sans supposer que des composés chimiques se forment lorsque les atomes se combinent dans des proportions constantes.

Jöns Jacob Berzelius

Jöns Jacob Berzelius , le chimiste qui a élaboré la technique moderne de notation des formules chimiques et est considéré comme l'un des pères de la chimie moderne

Chimiste suédois et disciple de Dalton, Jöns Jacob Berzelius s'est lancé dans un programme systématique pour essayer de faire des mesures quantitatives exactes et précises et de garantir la pureté des produits chimiques. Avec Lavoisier, Boyle et Dalton, Berzelius est connu comme le père de la chimie moderne. En 1828, il a compilé une table des poids atomiques relatifs, où l' oxygène était utilisé comme étalon, avec son poids fixé à 100, et qui comprenait tous les éléments connus à l'époque. Ce travail a fourni des preuves en faveur de la théorie atomique de Dalton - que les composés chimiques inorganiques sont composés d'atomes combinés en quantités entières . Il a déterminé les constituants élémentaires exacts d'un grand nombre de composés ; les résultats ont fortement soutenu la loi des proportions définies de Proust. En découvrant que les poids atomiques ne sont pas des multiples entiers du poids de l'hydrogène, Berzelius a également réfuté l'hypothèse de Prout selon laquelle les éléments sont construits à partir d'atomes d'hydrogène.

Motivé par ses nombreuses déterminations du poids atomique et dans le désir de faciliter ses expériences, il a introduit le système classique de symboles chimiques et de notation avec sa publication de 1808 Lärbok i Kemien , dans laquelle les éléments sont abrégés en une ou deux lettres pour faire un symbole distinct de leur nom latin. Ce système de notation chimique - dans lequel les éléments ont reçu des étiquettes écrites simples, telles que O pour l'oxygène, ou Fe pour le fer, avec des proportions indiquées par des nombres - est le même système de base utilisé aujourd'hui. La seule différence est qu'au lieu du nombre en indice utilisé aujourd'hui (par exemple, H 2 O), Berzelius a utilisé un exposant (H 2 O). Berzelius est crédité d'avoir identifié les éléments chimiques silicium , sélénium , thorium et cérium . Les étudiants travaillant dans le laboratoire de Berzelius ont également découvert le lithium et le vanadium .

Berzelius a développé la théorie radicale de la combinaison chimique, selon laquelle les réactions se produisent lorsque des groupes stables d'atomes appelés radicaux sont échangés entre les molécules. Il croyait que les sels sont des composés formés d' acides et de bases , et a découvert que les anions des acides étaient attirés par une électrode positive (l' anode ), tandis que les cations d'une base étaient attirés par une électrode négative (la cathode ). Berzelius ne croyait pas à la théorie du vitalisme , mais plutôt à une force régulatrice qui produisait l'organisation des tissus dans un organisme. Berzelius est également crédité de l'origine des termes chimiques « catalyse », « polymère », « isomère » et « allotrope », bien que ses définitions originales diffèrent considérablement de l'usage moderne. Par exemple, il a inventé le terme "polymère" en 1833 pour décrire des composés organiques qui partageaient des formules empiriques identiques mais qui différaient par leur poids moléculaire global, le plus gros des composés étant décrit comme "polymère" du plus petit. Par cette définition préstructurelle longtemps dépassée, le glucose (C 6 H 12 O 6 ) était considéré comme un polymère de formaldéhyde (CH 2 O).

Nouveaux éléments et lois sur les gaz

Humphry Davy , la découverte de plusieurs métaux alcalins et alcalino-terreux , ainsi que des contributions aux découvertes de la nature élémentaire du chlore et de l' iode .

Le chimiste anglais Humphry Davy fut un pionnier dans le domaine de l' électrolyse , utilisant la pile voltaïque d'Alessandro Volta pour séparer des composés communs et ainsi isoler une série de nouveaux éléments. Il a ensuite électrolysé les sels fondus et a découvert plusieurs nouveaux métaux, notamment le sodium et le potassium , éléments hautement réactifs connus sous le nom de métaux alcalins . Le potassium, le premier métal isolé par électrolyse, a été découvert en 1807 par Davy, qui l'a dérivé de la potasse caustique (KOH). Avant le 19ème siècle, aucune distinction n'était faite entre le potassium et le sodium. Le sodium a été isolé pour la première fois par Davy la même année en faisant passer un courant électrique à travers de l'hydroxyde de sodium fondu (NaOH). Lorsque Davy apprit que Berzelius et Pontin préparaient des amalgames de calcium en électrolysant de la chaux dans du mercure, il l'essaya lui-même. Davy réussit et découvre le calcium en 1808 en électrolysant un mélange de chaux et d' oxyde mercurique . Il a travaillé avec l'électrolyse toute sa vie et, en 1808, il a isolé le magnésium , le strontium et le baryum .

Davy a également expérimenté les gaz en les inhalant. Cette procédure expérimentale s'est avérée presque fatale à plusieurs reprises, mais a conduit à la découverte des effets inhabituels du protoxyde d'azote , connu sous le nom de gaz hilarant. Le chlore a été découvert en 1774 par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele , qui l'a appelé « acide marin déphlogistiqué » (voir la théorie du phlogistique ) et pensait à tort qu'il contenait de l' oxygène . Scheele a observé plusieurs propriétés du chlore gazeux, telles que son effet blanchissant 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 n'a pas pu publier ses conclusions à l'époque. En 1810, le chlore a reçu son nom actuel par Humphry Davy (dérivé du mot grec pour vert), qui a insisté sur le fait que le chlore était en fait un élément . Il a également montré que l' oxygène ne pouvait pas être obtenu à partir de la substance connue sous le nom d'acide oxymuriatique (solution de HCl). Cette découverte a renversé la définition de Lavoisier des acides comme composés de l'oxygène. Davy était un conférencier populaire et un expérimentateur compétent.

Joseph Louis Gay-Lussac , qui a déclaré que le rapport entre les volumes des gaz réactifs et des produits peut être exprimé en nombres entiers simples.

Le chimiste français Joseph Louis Gay-Lussac partageait l'intérêt de Lavoisier et d'autres pour l'étude quantitative des propriétés des gaz. Dès 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 température : cette conclusion est généralement appelée « loi de Charles », comme Gay-Lussac a attribué le crédit à Jacques Charles , qui était arrivé à presque la même conclusion dans les années 1780, mais ne l'avait pas publiée. La loi a été découverte de manière indépendante par le philosophe naturel britannique John Dalton en 1801, bien que la description de Dalton soit moins complète que celle de Gay-Lussac. En 1804, Gay-Lussac a réalisé plusieurs ascensions audacieuses de plus de 7 000 mètres au-dessus du niveau de la mer dans des ballons remplis d'hydrogène - un exploit qui n'a pas été égalé avant 50 ans - qui lui ont permis d'étudier d'autres aspects des gaz. Non seulement il a collecté des mesures magnétiques à différentes altitudes, mais il a également pris des mesures de pression, de température et d'humidité et des échantillons d'air, qu'il a ensuite analysés chimiquement.

En 1808, Gay-Lussac a annoncé ce qui était probablement sa plus grande réalisation : à partir de ses propres expériences et de celles d'autres, il a déduit que les gaz à température et pression constantes se combinent dans de simples proportions numériques en volume, et le ou les produits résultants - si gaz - portent également une simple proportion en volume aux volumes des réactifs. En d'autres termes, les gaz dans des conditions égales de température et de pression réagissent les uns avec les autres dans des rapports volumiques de petits nombres entiers. Cette conclusion devint par la suite connue sous le nom de « loi de Gay-Lussac » ou de « loi de la combinaison des volumes ». Avec son confrère à l' École polytechnique , Louis Jacques Thénard , Gay-Lussac participe également aux premières recherches électrochimiques, étudiant les éléments découverts par ses moyens. Entre autres réalisations, ils ont décomposé l'acide borique en utilisant du potassium fondu, découvrant ainsi l'élément bore . Les deux ont également pris part aux débats contemporains qui ont modifié la définition des acides de Lavoisier et ont approfondi son programme d'analyse des composés organiques pour leur teneur en oxygène et en hydrogène.

L'élément iode a été découvert par le chimiste français Bernard Courtois en 1811. Courtois a donné des échantillons à ses amis, Charles Bernard Desormes (1777-1862) et Nicolas Clément (1779-1841), pour poursuivre les recherches. Il a également donné une partie de la substance à Gay-Lussac et au physicien André-Marie Ampère . Le 6 décembre 1813, Gay-Lussac annonce que la nouvelle substance est soit un élément, soit un composé de l'oxygène. C'est Gay-Lussac qui a suggéré le nom "iode" , du mot grec ιώδες (iodes) pour violet (à cause de la couleur de la vapeur d'iode). Ampère avait donné une partie de son échantillon à Humphry Davy. Davy a fait quelques expériences sur la substance et a noté sa similitude avec le chlore. Davy a envoyé une lettre datée du 10 décembre à la Royal Society de Londres indiquant qu'il avait identifié un nouvel élément. Des disputes ont éclaté entre Davy et Gay-Lussac pour savoir qui a identifié l'iode en premier, mais les deux scientifiques ont reconnu Courtois comme le premier à isoler l'élément.

En 1815, Humphry Davy a inventé la lampe Davy , qui permettait aux mineurs des 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 le méthane souvent enflammé par les flammes nues des lampes alors utilisées par les mineurs. Davy a conçu d'utiliser une gaze de fer pour enfermer la flamme d'une lampe, et ainsi empêcher le méthane qui brûle à l'intérieur de la lampe de passer dans l'atmosphère générale. Bien que l'idée de la lampe de sécurité ait déjà été démontrée par William Reid Clanny et par l'ingénieur alors inconnu (mais plus tard très célèbre) George Stephenson , l'utilisation par Davy de la toile métallique pour empêcher la propagation de la flamme a été utilisée par de nombreux autres inventeurs dans leur dessins. Il y avait une certaine discussion pour savoir si Davy avait découvert les principes derrière sa lampe sans l'aide du travail de Smithson Tennant , mais il était généralement admis que le travail des deux hommes avait été indépendant. Davy a refusé de breveter la lampe et son invention lui a valu la médaille Rumford en 1816.

Amedeo Avogadro , qui a postulé que, dans des conditions contrôlées de température et de pression, des volumes égaux de gaz contiennent un nombre égal de molécules. C'est ce qu'on appelle la loi d'Avogadro .

Après que Dalton eut publié sa théorie atomique en 1808, certaines de ses idées centrales furent bientôt adoptées par la plupart des chimistes. Cependant, l'incertitude a persisté pendant un demi-siècle sur la façon dont la théorie atomique devait être configurée et appliquée à des situations concrètes ; des chimistes de différents pays ont développé plusieurs systèmes atomistiques incompatibles différents. Un article suggérant un moyen de sortir de cette situation difficile a été publié dès 1811 par le physicien italien Amedeo Avogadro (1776-1856), qui a émis l'hypothèse que des volumes égaux de gaz à la même température et pression contiennent un nombre égal de molécules, d'où il s'ensuit que les poids moléculaires relatifs de deux gaz quelconques sont les mêmes que le rapport des densités des deux gaz dans les mêmes conditions de température et de pression. Avogadro a également estimé que les gaz simples n'étaient pas formés d'atomes solitaires mais étaient plutôt des molécules composées de deux atomes ou plus. Ainsi Avogadro a pu surmonter la difficulté que Dalton et d'autres avaient rencontrée lorsque Gay-Lussac a signalé qu'au-dessus de 100 °C, le volume de vapeur d'eau était le double du volume d'oxygène utilisé pour la former. Selon Avogadro, la molécule d'oxygène s'était scindée en deux atomes au cours de la formation de vapeur d'eau.

L'hypothèse d'Avogadro a été négligée pendant un demi-siècle après sa première publication. De nombreuses raisons de cette négligence ont été citées, y compris certains problèmes théoriques, tels que le « dualisme » de Jöns Jacob Berzelius, qui affirmait que les composés sont maintenus ensemble par l'attraction de charges électriques positives et négatives, ce qui rend inconcevable qu'une molécule composée de deux des atomes similaires, comme dans l'oxygène, pourraient exister. Un obstacle supplémentaire à l'acceptation était le fait que de nombreux chimistes étaient réticents à adopter des méthodes physiques (telles que les déterminations de la densité de vapeur) pour résoudre leurs problèmes. Au milieu du siècle, cependant, certaines personnalités de premier plan avaient commencé à considérer la multiplicité chaotique des systèmes concurrents de poids atomiques et de formules moléculaires comme intolérable. De plus, des preuves purement chimiques ont commencé à s'accumuler, suggérant que l'approche d'Avogadro pourrait être juste après tout. Au cours des années 1850, de jeunes chimistes, 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 cohérente avec la théorie avogadrienne.

Wöhler et le débat sur le vitalisme

Formule développée de l' urée

En 1825, Friedrich Wöhler et Justus von Liebig ont réalisé la première découverte et explication confirmée des isomères , précédemment nommés par Berzelius. En travaillant avec de l'acide cyanique et de l'acide fulminique , ils ont correctement déduit que l'isomérie était causée par des arrangements différents d'atomes au sein d'une structure moléculaire. En 1827, William Prout a classé les biomolécules dans leurs groupements modernes : glucides , protéines et lipides . Après que la nature de la combustion ait été réglée, un différend sur le vitalisme et la distinction essentielle entre les substances organiques et inorganiques a commencé. La question du vitalisme a été révolutionnée en 1828 lorsque Friedrich Wöhler a synthétisé l' urée , établissant ainsi que des composés organiques pouvaient être produits à partir de matières premières inorganiques et réfutant la théorie du vitalisme.

Cela a ouvert un nouveau domaine de recherche en chimie, et à la fin du 19ème siècle, les scientifiques étaient capables de synthétiser des centaines de composés organiques. Les plus importants d'entre eux sont le mauve , le magenta et d'autres colorants synthétiques , ainsi que l' aspirine, un médicament largement utilisé . La découverte de la synthèse artificielle de l'urée a grandement contribué à la théorie de l' isomérie , car les formules chimiques empiriques de l'urée et du cyanate d'ammonium sont identiques (voir synthèse de Wöhler ). En 1832, Friedrich Wöhler et Justus von Liebig ont découvert et expliqué des groupes fonctionnels et des radicaux en relation avec la chimie organique, ainsi que la première synthèse du benzaldéhyde . Liebig, un chimiste allemand, a apporté des contributions majeures à la chimie agricole et biologique , et a travaillé sur l'organisation de la chimie organique . Liebig est considéré comme le « père de l' industrie des engrais » pour sa découverte de l' azote comme élément nutritif essentiel des plantes et sa formulation de la loi du minimum qui décrit l'effet des nutriments individuels sur les cultures.

Milieu des années 1800

En 1840, Germain Hess a proposé la loi de Hess , une première déclaration 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 matériaux de départ et du produit et non de la voie spécifique empruntée entre les deux. États. En 1847, Hermann Kolbe a obtenu de l'acide acétique à partir de sources complètement inorganiques, réfutant davantage le vitalisme. En 1848, William Thomson, 1er baron Kelvin (communément connu sous le nom de Lord Kelvin) a établi le concept de zéro absolu , la température à laquelle tout mouvement moléculaire cesse. En 1849, Louis Pasteur découvre que la forme racémique de l'acide tartrique est un mélange des formes lévogyre et dextrotatrice, clarifiant ainsi la nature de la rotation optique et faisant progresser le domaine de la stéréochimie . En 1852, August Beer propose la loi de Beer , qui explique la relation entre la composition d'un mélange et la quantité de lumière qu'il va absorber. Fondé en partie sur des travaux antérieurs de Pierre Bouguer et Johann Heinrich Lambert , il a établi la technique analytique connue sous le nom de spectrophotométrie . En 1855, Benjamin Silliman, Jr. a été le pionnier des méthodes de craquage du pétrole , qui ont rendu possible l'ensemble de l' industrie pétrochimique moderne .

Formules d'acide acétique données par August Kekulé en 1861.

L'hypothèse d'Avogadro n'a commencé à gagner un large attrait parmi les chimistes qu'après que son compatriote et collègue scientifique Stanislao Cannizzaro a démontré sa valeur en 1858, deux ans après la mort d'Avogadro. Les intérêts chimiques de Cannizzaro s'étaient à l'origine concentrés sur les produits naturels et sur les réactions des composés aromatiques ; en 1853, il a découvert que lorsque le benzaldéhyde est traité avec une base concentrée, à la fois de l'acide benzoïque et de l' alcool benzylique sont produits, un phénomène connu aujourd'hui sous le nom de réaction de Cannizzaro . Dans sa brochure de 1858, Cannizzaro a montré qu'un retour complet aux idées d'Avogadro pourrait être utilisé pour construire une structure théorique cohérente et robuste qui correspond à presque toutes les preuves empiriques disponibles. Par exemple, il a souligné des preuves suggérant que tous les gaz élémentaires ne sont pas constitués de deux atomes par molécule - certains étaient monoatomiques , la plupart étaient diatomiques et quelques-uns étaient encore plus complexes.

Un autre point de discorde avait été les formules des composés des métaux alcalins (tels que le sodium ) et des métaux alcalino-terreux (tels que le calcium ), que, compte tenu de leurs analogies chimiques frappantes, la plupart des chimistes avaient voulu attribuer à la même formule. taper. Cannizzaro a fait valoir que le fait de placer ces métaux dans différentes catégories avait pour résultat bénéfique d'éliminer certaines anomalies lors de l'utilisation de leurs propriétés physiques pour déduire des poids atomiques. Malheureusement, la brochure de Cannizzaro n'a été publiée initialement qu'en italien et a eu peu d'impact immédiat. La véritable percée est venue avec un congrès chimique international tenu dans la ville allemande de Karlsruhe en septembre 1860, auquel la plupart des principaux chimistes européens étaient présents. Le congrès de Karlsruhe avait été organisé par Kekulé, Wurtz et quelques autres qui partageaient le sens de Cannizzaro quant à la direction que devrait prendre la chimie. S'exprimant en français (comme tout le monde l'a fait), l'éloquence et la logique de Cannizzaro ont fait une impression indélébile sur le corps assemblé. De plus, son ami Angelo Pavesi a distribué la brochure de Cannizzaro aux participants à la fin de la réunion ; plus d'un chimiste écrivit plus tard l'impression décisive que la lecture de ce document produisit. Par exemple, Lothar Meyer a écrit plus tard qu'en lisant l'article de Cannizzaro, "les écailles semblaient tomber de mes yeux". Cannizzaro a ainsi joué un rôle crucial dans la victoire de la bataille de la réforme. Le système préconisé par lui, et peu de temps après adopté par la plupart des chimistes de premier plan, est sensiblement identique à ce qui est encore utilisé aujourd'hui.

Perkin, Crookes et Nobel

En 1856, Sir William Henry Perkin , 18 ans, confronté à un défi lancé par son professeur, August Wilhelm von Hofmann , chercha à synthétiser la quinine , le médicament antipaludique , à partir de goudron de houille . Dans une tentative, Perkin a oxydé l' aniline à l' aide de dichromate de potassium , dont les impuretés de toluidine ont réagi avec l'aniline et ont donné un solide noir, ce qui suggère une synthèse organique « échouée ». En nettoyant le flacon avec de l'alcool, Perkin a remarqué des portions violettes de la solution : un sous-produit de la tentative était le premier colorant synthétique, connu sous le nom de mauveine ou mauve de Perkin. La découverte de Perkin est à la base de l'industrie de la synthèse de colorants, l'une des premières industries chimiques à succès.

La contribution unique la plus importante du chimiste allemand August Kekulé von Stradonitz a été sa théorie structurelle de la composition organique, décrite dans deux articles publiés en 1857 et 1858 et traitée en détail dans les pages de son extraordinairement populaire Lehrbuch der organischen Chemie ("Manuel de Chimie"), dont le premier opus paraît en 1859 et s'étend progressivement à quatre volumes. Kekulé a soutenu que les atomes de carbone tétravalents - c'est-à-dire le carbone formant exactement quatre liaisons chimiques - pourraient se lier ensemble pour former ce qu'il a appelé une "chaîne carbonée" ou un "squelette carboné", auquel d'autres atomes avec d'autres valences (comme l'hydrogène, l'oxygène , azote et chlore) pourraient se joindre. Il était convaincu qu'il était possible pour le chimiste de spécifier cette architecture moléculaire détaillée pour au moins les composés organiques les plus simples connus à son époque. Kekulé n'était pas le seul chimiste à faire de telles affirmations à cette époque. Le chimiste écossais Archibald Scott Couper a publié une théorie substantiellement similaire presque simultanément, et le chimiste russe Aleksandr Butlerov a fait beaucoup pour clarifier et étendre la théorie de la structure. Cependant, ce sont principalement les idées de Kekulé qui ont prévalu dans la communauté chimique.

Un tube de Crookes (2 vues) : clair et sombre. Les électrons voyagent en ligne droite depuis la cathode (à gauche), comme en témoigne l'ombre projetée de la croix de Malte sur la fluorescence de l'extrémité droite. L'anode est au fil du bas.

Le chimiste et physicien britannique William Crookes est connu pour ses études sur les rayons cathodiques , fondamentales dans le développement de la physique atomique . Ses recherches sur les décharges électriques à travers un gaz raréfié l'ont amené à observer l'espace sombre autour de la cathode, désormais appelé 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 lorsqu'ils frappent certains matériaux. Pionnier des tubes à vide, Crookes a inventé le tube de Crookes - un des premiers tubes à décharge expérimental, avec un vide partiel avec lequel il a étudié le comportement des rayons cathodiques. Avec l'introduction de l' analyse spectrale par Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff (1859-1860), Crookes a appliqué la nouvelle technique à l'étude des composés du sélénium . Bunsen et Kirchhoff avaient déjà utilisé la spectroscopie comme moyen d'analyse chimique pour découvrir le césium et le rubidium . En 1861, Crookes utilisa ce procédé pour découvrir le thallium dans certains gisements sélénifères. Il poursuivit ses travaux sur ce nouvel élément, l'isola, étudia ses propriétés et, en 1873, détermina son poids atomique. Au cours de ses études sur le thallium, Crookes a découvert le principe du radiomètre de Crookes , un appareil qui convertit le rayonnement lumineux en mouvement rotatif. Le principe de ce radiomètre a trouvé de nombreuses applications dans le développement d'instruments de mesure sensibles.

En 1862, Alexander Parkes expose la Parkesine , l'un des premiers polymères synthétiques , à l'Exposition internationale de Londres. Cette découverte a constitué le fondement de l' industrie plastique moderne . En 1864, Caton Maximilian Guldberg et Peter Waage , s'appuyant sur les idées de Claude Louis Berthollet, proposèrent la loi d'action de masse . En 1865, Johann Josef Loschmidt détermina le nombre exact de molécules dans une taupe , appelé plus tard nombre d'Avogadro .

En 1865, August Kekulé, basé en partie sur les travaux de Loschmidt et d'autres, a établi la structure du benzène sous la forme d'un cycle à six carbones avec des liaisons simples et doubles alternées . La nouvelle proposition de Kekulé pour la structure cyclique du benzène a été très contestée mais n'a jamais été remplacée par une théorie supérieure. Cette théorie a fourni la base scientifique de 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 tous contiennent au moins un cycle benzénique hexagonal du type préconisé par Kekulé. Kekulé est également célèbre pour avoir clarifié la nature des composés aromatiques, qui sont des composés à base de molécule de benzène. En 1865, Adolf von Baeyer a commencé à travailler sur le colorant indigo , une étape importante dans la chimie organique industrielle moderne qui a révolutionné l'industrie des colorants.

Le chimiste et inventeur suédois Alfred Nobel a découvert que lorsque la nitroglycérine était incorporée dans une substance inerte absorbante comme le kieselguhr ( terre de diatomées ), elle devenait plus sûre et plus pratique à manipuler, et ce mélange qu'il a breveté en 1867 sous le nom de dynamite . Plus tard, Nobel a combiné la nitroglycérine avec divers composés de nitrocellulose, similaires au collodion , mais a opté pour une recette plus efficace combinant un autre explosif de nitrate, et a obtenu une substance transparente ressemblant à de la gelée, qui était un explosif plus puissant que la dynamite. La gélinite , ou gélatine de sablage, comme on l' appelait , a été brevetée en 1876; et a été suivie par une foule de combinaisons similaires, modifiées par l'addition de nitrate de potassium et de diverses autres substances.

Le tableau périodique de Mendeleïev

Dmitri Mendeleev , chargé d'organiser les éléments chimiques connus dans un tableau périodique .

Une percée importante dans la compréhension de la liste des éléments chimiques connus (ainsi que dans la compréhension de la structure interne des atomes) a été le développement par Dmitri Mendeleev du premier tableau périodique moderne , ou la classification périodique des éléments. Mendeleev, un chimiste russe, a estimé qu'il y avait une sorte d'ordre dans les éléments et il a passé plus de treize ans de sa vie à collecter des données et à assembler le concept, initialement avec l'idée de résoudre certains des désordres sur le terrain pour ses étudiants. . Mendeleev a découvert que, lorsque tous les éléments chimiques connus étaient classés par ordre de poids atomique croissant, le tableau résultant affichait un motif récurrent, ou une périodicité, des propriétés au sein des groupes d'éléments. La loi de Mendeleev lui a permis de construire un tableau périodique systématique de tous les 66 éléments alors connus sur la base de la masse atomique, qu'il a publié dans Principles of Chemistry en 1869. Son premier tableau périodique a été compilé sur la base de l'organisation des éléments par ordre croissant de poids atomique et en les regroupant par similarité de propriétés.

Mendeleev avait une telle foi dans la validité de la loi périodique qu'il a proposé des changements aux valeurs généralement acceptées pour le poids atomique de quelques éléments et, dans sa version du tableau périodique de 1871, a prédit les emplacements dans le tableau des éléments inconnus ensemble avec leurs propriétés. Il a même prédit les propriétés probables de trois éléments encore à découvrir, qu'il a appelés ekaboron (Eb), ekaaluminium (Ea) et ekasilicon (Es) , qui se sont avérés être de bons prédicteurs des propriétés du scandium , gallium , et le germanium , respectivement, qui remplissent chacun la place dans le tableau périodique assigné par Mendeleev.

Au début, le système périodique n'a pas suscité l'intérêt des chimistes. Cependant, avec la découverte des éléments prédits, notamment le gallium en 1875, le scandium en 1879 et le germanium en 1886, il a commencé à être largement accepté. La preuve ultérieure de nombre de ses prédictions au cours de sa vie a rendu Mendeleev célèbre en tant que fondateur de la loi périodique. Cette organisation a dépassé les tentatives antérieures de classification d' Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois , qui a publié l'hélice tellurique , une première version en trois dimensions du tableau périodique des éléments en 1862 , John Newlands , qui a proposé la loi des octaves (un précurseur à la loi périodique) en 1864, et Lothar Meyer , qui a développé une première version du tableau périodique avec 28 éléments organisés par valence en 1864. Le tableau de Mendeleïev n'incluait cependant aucun des gaz rares qui n'avaient pas encore été découverts. Peu à peu, la loi et le tableau périodiques sont devenus le cadre d'une grande partie de la théorie chimique. Au moment de la mort de Mendeleev en 1907, il jouissait d'une reconnaissance internationale et avait reçu des distinctions et des prix de nombreux pays.

En 1873, Jacobus Henricus van 't Hoff et Joseph Achille Le Bel , travaillant indépendamment, ont développé un modèle de liaison chimique qui a expliqué les expériences de chiralité de Pasteur et a fourni une cause physique pour l'activité optique dans les composés chiraux. la publication de van 't Hoff, intitulée V oorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte , etc. a donné l'impulsion au développement de la stéréochimie . Le concept d'« atome de carbone asymétrique », traité dans cette publication, a fourni une explication de l'occurrence de nombreux isomères, inexplicables au moyen des formules structurales alors en vigueur. En même temps, il a souligné l'existence d'une relation entre l'activité optique et la présence d'un atome de carbone asymétrique.

Josiah Willard Gibbs

J. Willard Gibbs a formulé un concept d' équilibre thermodynamique d'un système en termes d'énergie et d'entropie. Il a également effectué des travaux approfondis sur l'équilibre chimique et les équilibres entre les phases.

Les travaux du physicien mathématicien américain J. Willard Gibbs sur les applications de la thermodynamique ont contribué à transformer la chimie physique en une science déductive rigoureuse. Au cours des années 1876 à 1878, Gibbs a travaillé sur les principes de la thermodynamique, en les appliquant aux processus complexes impliqués dans les réactions chimiques. Il a découvert le concept de potentiel chimique , ou le "carburant" qui fait fonctionner les réactions chimiques. En 1876, il publie sa contribution la plus célèbre, " Sur l'équilibre des substances hétérogènes ", une compilation de ses travaux sur la thermodynamique et la chimie physique qui expose le concept d' énergie libre pour expliquer la base physique des équilibres chimiques. Dans ces essais figuraient les débuts des théories de Gibbs sur les phases de la matière : il considérait chaque état de la matière comme une phase et chaque substance comme un composant. Gibbs a pris toutes les variables impliquées dans une réaction chimique - température, pression, énergie, volume et entropie - et les a incluses dans une équation simple connue sous le nom de règle de phase de Gibbs .

Dans cet article se trouvait peut-être sa contribution la plus remarquable, l'introduction du concept d'énergie libre, maintenant universellement appelée énergie libre de Gibbs en son honneur. L'énergie libre de Gibbs concerne la tendance d'un système physique ou chimique à simultanément baisser son énergie et augmenter son désordre, ou entropie , dans un processus naturel spontané. L'approche de Gibbs permet à un chercheur de calculer le changement d'énergie libre dans le processus, comme dans une réaction chimique, et à quelle vitesse cela se produira. Étant donné que pratiquement tous les processus chimiques et de nombreux processus physiques impliquent de tels changements, ses travaux ont eu un impact significatif à la fois sur les aspects théoriques et expérientiels de ces sciences. En 1877, Ludwig Boltzmann a établi des dérivations statistiques de nombreux concepts physiques et chimiques importants, y compris l' entropie et les distributions des vitesses moléculaires en phase gazeuse. Avec Boltzmann et James Clerk Maxwell , Gibbs a créé une nouvelle branche de la physique théorique appelée mécanique statistique (un terme qu'il a inventé), expliquant les lois de la thermodynamique en tant que conséquences des propriétés statistiques de grands ensembles de particules. Gibbs a également travaillé sur l'application des équations de Maxwell aux problèmes d'optique physique. La dérivation par Gibbs des lois phénoménologiques de la thermodynamique à partir des propriétés statistiques des systèmes avec de nombreuses particules a été présentée dans son manuel très influent Elementary Principles in Statistical Mechanics , publié en 1902, un an avant sa mort. Dans ce travail, Gibbs a examiné la relation entre les lois de la thermodynamique et la théorie statistique des mouvements moléculaires. Le dépassement de la fonction d' origine par des sommes partielles de séries de Fourier aux points de discontinuité est connu sous le nom de phénomène de Gibbs .

Fin du 19e siècle

L' invention par l'ingénieur allemand Carl von Linde d'un procédé continu de liquéfaction de gaz en grandes quantités a constitué la base de la technologie moderne de réfrigération et a fourni à la fois une impulsion et des moyens pour mener des recherches scientifiques à basse température et à très haut vide. Il a développé un réfrigérateur à l' éther diméthylique (1874) et un réfrigérateur à l'ammoniac (1876). Bien que d'autres unités de réfrigération aient été développées plus tôt, celles de Linde ont été les premières à être conçues dans le but de calculs précis de l'efficacité. En 1895, il installe une grande usine de production d'air liquide. Six ans plus tard, il a développé une méthode pour séparer l'oxygène liquide pur de l'air liquide qui a entraîné une conversion industrielle généralisée vers des procédés utilisant de l'oxygène (par exemple, dans la fabrication de l' acier ).

En 1883, Svante Arrhenius a développé une théorie des ions pour expliquer la conductivité dans les électrolytes . En 1884, Jacobus Henricus van 't Hoff a publié des Études de Dynamique chimique (Studies in Dynamic Chemistry), une étude fondamentale sur la cinétique chimique . Dans ce travail, van 't Hoff est entré pour la première fois dans le domaine de la chimie physique. D'une grande importance était 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. A volume constant, l'équilibre dans un système aura tendance à se déplacer dans une direction telle qu'il s'oppose au changement de température qui est imposé au système. Ainsi, l'abaissement de la température entraîne un développement de chaleur tandis que l'augmentation de la température entraîne une absorption de chaleur. Ce principe d'équilibre mobile a été par la suite (1885) mis sous une forme générale par Henry Louis Le Chatelier , qui a étendu le principe pour inclure la compensation, par changement de volume, pour les changements de pression imposés. Le principe de van 't Hoff-Le Chatelier, ou simplement le principe de Le Chatelier , explique la réponse des équilibres chimiques dynamiques aux contraintes extérieures.

En 1884, Hermann Emil Fischer a proposé la structure de la purine , une structure clé dans de nombreuses biomolécules, qu'il a ensuite synthétisée en 1898. Il a également commencé à travailler sur la chimie du glucose et des sucres apparentés . En 1885, Eugene Goldstein nomma le rayon cathodique , découvert plus tard comme étant composé d'électrons, et le rayon canal , découvert plus tard comme étant des ions hydrogène positifs qui avaient été dépouillés de leurs électrons dans un tube à rayons cathodiques ; ceux-ci seraient plus tard nommés protons . L'année 1885 voit également la publication de L'Équilibre chimique dans les Systèmes gazeux ou dissous à I'État dilué de JH van 't Hoff , qui traite de cette théorie des solutions diluées. Ici, il a démontré que la « pression osmotique » dans des solutions suffisamment diluées est proportionnelle à la concentration et à la température absolue de sorte que cette pression peut être représentée par une formule qui ne s'écarte de la formule de la pression du gaz que par un coefficient i . Il a également déterminé la valeur de i par diverses méthodes, par exemple au moyen de la pression de vapeur et des résultats de François-Marie Raoult sur l'abaissement du point de congélation. Ainsi van 't Hoff a pu prouver que les lois thermodynamiques ne sont pas seulement valables pour les gaz, mais aussi pour les solutions diluées. Ses lois de pression, dont la validité générale est donnée par la théorie de la dissociation électrolytique d'Arrhenius (1884-1887) - le premier étranger qui vint travailler avec lui à Amsterdam (1888) - sont considérées comme les plus complètes et les plus importantes dans le domaine des sciences naturelles. En 1893, Alfred Werner découvre la structure octaédrique des complexes de cobalt, établissant ainsi le domaine de la chimie de coordination .

La découverte par Ramsay des gaz rares

Les découvertes les plus célèbres du chimiste écossais William Ramsay ont été faites en chimie inorganique. Ramsay a été intrigué par la découverte en 1892 du physicien britannique John Strutt, 3e baron Rayleigh , que le poids atomique de l' azote présent dans les composés chimiques était inférieur à celui de l'azote présent dans l'atmosphère. Il a attribué cette divergence à un gaz léger inclus dans les composés chimiques de l'azote, tandis que Ramsay soupçonnait un gaz 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 ont pu annoncer en 1894 qu'ils avaient trouvé un élément gazeux monoatomique chimiquement inerte qui constituait près de 1 % de l'atmosphère ; ils l'ont nommé argon .

L'année suivante, Ramsay a libéré un autre gaz inerte d'un minéral appelé cleveite ; cela s'est avéré être de l' hélium , connu auparavant uniquement dans le spectre solaire. Dans son livre Les gaz de l'atmosphère (1896), Ramsay a montré que les positions de l'hélium et de l'argon dans le tableau périodique des éléments indiquaient qu'au moins trois autres gaz nobles pourraient exister. En 1898, Ramsay et le chimiste britannique Morris W. Travers ont isolé ces éléments, appelés néon , krypton et xénon, de l' air amené à l'état liquide à basse température et haute pression. Sir William Ramsay a travaillé avec Frederick Soddy pour démontrer, en 1903, que des particules alpha (noyaux d'hélium) étaient continuellement produites pendant la désintégration radioactive d'un échantillon de radium. Ramsay a reçu le prix Nobel de chimie 1904 en reconnaissance des « services dans la découverte des éléments gazeux inertes dans l'air et sa détermination de leur place dans le système périodique ».

En 1897, JJ Thomson découvre l' électron à l'aide du tube cathodique . En 1898, Wilhelm Wien a démontré que les rayons du canal (flux d'ions positifs) peuvent être déviés par les champs magnétiques, et que la quantité de déviation est proportionnelle au rapport masse/charge . Cette découverte conduira à la technique analytique connue sous le nom de spectrométrie de masse en 1912.

Marie et Pierre Curie

Marie Curie , pionnière dans le domaine de la radioactivité et première lauréate du prix Nobel deux fois honorée (et toujours la seule dans deux sciences différentes)

Marie Skłodowska-Curie était une physicienne et chimiste française d'origine polonaise, célèbre pour ses recherches pionnières sur la radioactivité . Elle et son mari sont considérés comme ayant posé la pierre angulaire de l'ère nucléaire avec leurs recherches sur la radioactivité. Marie était fascinée par les travaux d' Henri Becquerel , un physicien français qui a découvert en 1896 que l'uranium émet des rayons similaires aux rayons X découverts par Wilhelm Röntgen . Marie Curie a commencé à étudier l'uranium à la fin de 1897 et a théorisé, selon un article de 1904 qu'elle a écrit pour le magazine Century, « que l'émission de rayons par les composés de l'uranium est une propriété du métal lui-même, qu'il s'agit d'une propriété atomique de l'élément. l'uranium indépendamment de son état chimique ou physique. Curie a poussé le travail de Becquerel un peu plus loin, en menant ses propres expériences sur les rayons d'uranium. Elle a découvert que les rayons restaient constants, peu importe la condition ou la forme de l'uranium. Les rayons, a-t-elle théorisé, provenaient de la structure atomique de l'élément. Cette idée révolutionnaire a créé le domaine de la physique atomique et les Curie ont inventé le mot radioactivité pour décrire les phénomènes.

Pierre Curie , connu pour ses travaux sur la radioactivité ainsi que sur le ferromagnétisme , le paramagnétisme et le diamagnétisme ; notamment la loi de Curie et le point de Curie .

Pierre et Marie ont exploré plus avant la radioactivité en travaillant pour séparer les substances dans les minerais d'uranium, puis en utilisant l' électromètre pour effectuer des mesures de rayonnement afin de « tracer » la quantité infime d'élément radioactif inconnu parmi les fractions qui en ont résulté. En travaillant avec le minéral pechblende , le couple a découvert un nouvel élément radioactif en 1898. Ils ont nommé l'élément polonium , d'après le pays natal de Marie, la Pologne. Le 21 décembre 1898, les Curie détectèrent la présence d'une autre matière radioactive dans la pechblende. Ils ont présenté ce résultat à l' Académie française des sciences le 26 décembre, proposant que le nouvel élément soit appelé radium . Les Curie se sont ensuite mis au travail en isolant le polonium et le radium de composés naturels pour prouver qu'il s'agissait de nouveaux éléments. En 1902, les Curie ont annoncé avoir produit un décigramme de radium pur, démontrant son existence en tant qu'élément chimique unique. Alors qu'il leur a fallu trois ans pour isoler le radium, ils n'ont jamais pu isoler le polonium. Parallèlement à la découverte de deux nouveaux éléments et à la découverte de techniques pour isoler les isotopes radioactifs, Curie a supervisé les premières études au monde sur le traitement des néoplasmes , à l'aide d'isotopes radioactifs. Avec Henri Becquerel et son mari Pierre Curie, elle obtient le prix Nobel de physique en 1903 . Elle a été la seule lauréate du prix Nobel de chimie en 1911 . Elle a été la première femme à remporter un prix Nobel, et elle est la seule femme à remporter le prix dans deux domaines différents.

Tout en travaillant avec Marie pour extraire des minerais des substances pures, entreprise qui nécessitait vraiment des moyens industriels mais qu'ils réalisaient dans des conditions relativement primitives, Pierre lui-même se concentra sur l'étude physique (y compris les effets lumineux et chimiques) des nouveaux rayonnements. Par l'action des champs magnétiques sur les rayons émis par le radium, il prouva l'existence de particules électriquement positives, négatives et neutres ; ces Ernest Rutherford devait par la suite appeler les rayons 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 radiumthérapie. Parmi les découvertes de Pierre Curie figuraient que les substances ferromagnétiques présentaient une transition de température critique, au-dessus de laquelle les substances perdaient leur comportement ferromagnétique - c'est ce qu'on appelle le " point de Curie ". Il a été élu à l'Académie des sciences (1905), après avoir reçu en 1903 conjointement avec Marie la prestigieuse médaille Davy de la Royal Society et conjointement avec elle et Becquerel le prix Nobel de physique. Il est renversé par une voiture rue Dauphine à Paris en 1906 et meurt sur le coup. Ses œuvres complètes ont été publiées en 1908.

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford , découvreur du noyau et considéré comme le père de la physique nucléaire

Le chimiste et physicien néo-zélandais Ernest Rutherford est considéré comme « le père de la physique nucléaire ». Rutherford est surtout connu pour avoir inventé les noms alpha , bêta et gamma pour classer diverses formes de "rayons" radioactifs qui étaient mal compris à son époque (les rayons alpha et bêta sont des faisceaux de particules, tandis que les rayons gamma sont une forme de rayonnement électromagnétique de haute énergie. rayonnement ). Rutherford a dévié les rayons alpha avec des champs électriques et magnétiques en 1903. En collaboration avec Frederick Soddy , Rutherford a expliqué que la radioactivité est due à la transmutation d'éléments, maintenant connus pour impliquer des réactions nucléaires .

En haut : Résultats prédits basés sur le modèle de l'atome de plum pudding alors accepté. En bas : résultats observés. Rutherford a réfuté le modèle du plum pudding et a conclu que la charge positive de l'atome doit être concentrée dans un petit noyau central.

Il a également observé que l'intensité de la radioactivité d'un élément radioactif décroît sur une durée unique et régulière jusqu'à un point de stabilité, et il a nommé le temps de réduction de moitié la « demi-vie ». En 1901 et 1902, il a travaillé avec Frederick Soddy pour prouver que les atomes d'un élément radioactif se transformeraient spontanément en un autre, en expulsant un morceau de l'atome à grande vitesse. En 1906 à l'Université de Manchester, Rutherford a supervisé une expérience menée par ses étudiants Hans Geiger (connu pour le compteur Geiger ) et Ernest Marsden . Dans l' expérience Geiger-Marsden , un faisceau de particules alpha, généré par la désintégration radioactive du radon , a été dirigé normalement sur une feuille de feuille d'or très mince dans une chambre sous vide. Dans le modèle dominant du plum pudding , les particules alpha devraient toutes avoir traversé la feuille et heurté l'écran du détecteur, ou avoir été déviées de quelques degrés au plus.

Cependant, les résultats réels ont surpris Rutherford. Bien que de nombreuses particules alpha soient passées comme prévu, de nombreuses autres ont été déviées à de petits angles tandis que d'autres ont été réfléchies vers la source alpha. Ils ont observé qu'un très faible pourcentage de particules était dévié selon des angles bien supérieurs à 90 degrés. L'expérience de la feuille d'or a montré de grandes déflexions pour une petite fraction de particules incidentes. Rutherford s'est rendu compte que, parce que certaines des particules alpha étaient déviées ou réfléchies, l'atome avait un centre concentré de charge positive et de masse relativement grande - Rutherford a appelé plus tard ce centre positif le " noyau atomique ". Les particules alpha avaient soit frappé directement le centre positif, soit passé à côté de lui suffisamment près pour être affectées par sa charge positive. Étant donné que de nombreuses autres particules ont traversé la feuille d'or, le centre positif devrait être d'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 ses résultats, Rutherford a développé un modèle de l'atome similaire au système solaire, connu sous le nom de modèle de Rutherford . Comme les planètes, les électrons tournaient autour d'un noyau central semblable au soleil. Pour ses travaux sur les radiations et le noyau atomique, Rutherford a reçu le prix Nobel de chimie en 1908.

20ième siècle

La première Conférence Solvay s'est tenue à Bruxelles en 1911 et a été considérée comme un tournant dans le monde de la physique et de la chimie.

En 1903, Mikhail Tsvet a inventé la chromatographie , une technique analytique importante. En 1904, Hantaro Nagaoka a proposé un premier modèle nucléaire de l'atome, où les électrons orbitent autour d'un noyau massif dense. En 1905, Fritz Haber et Carl Bosch développèrent le procédé Haber de fabrication de l' ammoniac , une étape importante dans la chimie industrielle aux conséquences profondes en agriculture. Le procédé Haber, ou procédé Haber-Bosch, combinait de l' azote et de l' hydrogène pour former de l'ammoniac en quantités industrielles pour la production d'engrais et de munitions. La production alimentaire de la moitié de la population mondiale actuelle dépend de cette méthode de production d'engrais. Haber, avec Max Born , a proposé le cycle de Born-Haber comme méthode d'évaluation de l'énergie de réseau d'un solide ionique. Haber a également été décrit comme le « père de la guerre chimique » pour son travail de développement et de déploiement de chlore et d'autres gaz toxiques pendant la Première Guerre mondiale.

Robert A. Millikan , qui est surtout connu pour mesurer la charge sur l'électron, a remporté le prix Nobel de physique en 1923.

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

En 1909, SPL Sørensen a inventé le concept de pH et développé des méthodes de mesure de l'acidité. En 1911, Antonius Van den Broek a proposé l'idée que les éléments du tableau périodique sont mieux organisés par charge nucléaire positive que par poids atomique. En 1911, la première Conférence Solvay s'est tenue à Bruxelles, réunissant la plupart des scientifiques les plus éminents de l'époque. En 1912, William Henry Bragg et William Lawrence Bragg ont proposé la loi de Bragg et ont établi le domaine de la cristallographie aux rayons X , un outil important pour élucider la structure cristalline des substances. En 1912, Peter Debye a utilisé le concept de dipôle moléculaire pour décrire la distribution de charge asymétrique dans certaines molécules.

Niels Bohr

Niels Bohr , le développeur du modèle de Bohr de l'atome, et l'un des principaux fondateurs de la mécanique quantique

En 1913, Niels Bohr , un physicien danois, a introduit les concepts de la mécanique quantique à la structure atomique en proposant ce qui est maintenant connu sous le nom de modèle de Bohr de l'atome, où les électrons n'existent que sur des orbites circulaires strictement définies autour du noyau semblables à des barreaux sur un échelle. 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 (sauf que les orbites ne sont pas planes) - la force gravitationnelle du système solaire est mathématiquement apparentée à l'attraction Force coulombienne (électrique) entre le noyau chargé positivement et les électrons chargés négativement.

Dans le modèle de Bohr, cependant, les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites qui ont une taille et une énergie définies - les niveaux d'énergie sont dits quantifiés , ce qui signifie que seules certaines orbites avec certains rayons sont autorisées ; les orbites intermédiaires n'existent tout simplement pas. L'énergie de l'orbite est liée à sa taille - c'est-à-dire que l'énergie la plus faible se trouve dans la plus petite orbite. Bohr a également postulé que le rayonnement électromagnétique est absorbé ou émis lorsqu'un électron se déplace d'une orbite à une autre. Parce que seules certaines orbites d'électrons sont autorisées, l'émission de lumière accompagnant un saut d'un électron d'un état d'énergie excité à l'état fondamental produit un spectre d'émission unique pour chaque élément. Bohr a reçu plus tard le prix Nobel de physique pour ce travail.

Niels Bohr a également travaillé sur le principe de complémentarité , qui stipule qu'un électron peut être interprété de deux manières mutuellement exclusives et valables. Les électrons peuvent être interprétés comme des modèles d'ondes ou de particules. Son hypothèse était qu'une particule entrante heurterait le noyau et créerait un noyau composé excité. Cela a constitué la base de son modèle de goutte liquide et a fourni plus tard une base théorique pour la fission nucléaire après sa découverte par les chimistes Otto Hahn et Fritz Strassman , et l'explication et la désignation par les physiciens Lise Meitner et Otto Frisch .

En 1913, Henry Moseley , travaillant à partir de l'idée précédente de Van den Broek, a introduit le concept de numéro atomique pour corriger certaines insuffisances du tableau périodique de Mendeleev, qui était basé sur le poids atomique. L'apogée de la carrière de Frederick Soddy en radiochimie a eu lieu en 1913 avec sa formulation du concept d' isotopes , qui stipulait que certains éléments existent sous deux ou plusieurs formes qui ont des poids atomiques différents mais qui sont indiscernables chimiquement. Il est connu pour avoir prouvé l'existence d'isotopes de certains éléments radioactifs, et est également crédité, avec d'autres, de la découverte de l'élément protactinium en 1917. En 1913, JJ Thomson a développé les travaux de Wien en montrant que les particules subatomiques chargées peuvent être séparés par leur rapport masse/charge, une technique connue sous le nom de spectrométrie de masse .

Gilbert N. Lewis

Le physicien-chimiste américain Gilbert N. Lewis a jeté les bases de la théorie des liaisons de valence ; il a joué un rôle déterminant dans le développement d'une théorie de la liaison basée sur le nombre d'électrons dans la couche de « valence » la plus externe de l'atome. En 1902, alors que Lewis essayait d'expliquer la valence à ses étudiants, il dépeint les atomes comme étant constitués d'une série concentrique de cubes avec des électrons à chaque coin. Cet "atome cubique" expliquait les huit groupes du tableau périodique et représentait 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 la liaison chimique de Lewis a continué d'évoluer et, en 1916, il a publié son article fondateur "L'atome de la molécule", qui suggérait qu'une liaison chimique est une paire d'électrons partagés par deux atomes. Le modèle de Lewis assimilait la liaison chimique classique au partage d'une paire d'électrons entre les deux atomes liés. Lewis a introduit les « diagrammes de points électroniques » dans cet article pour symboliser les structures électroniques des atomes et des molécules. Maintenant connues sous le nom de structures de Lewis , elles sont abordées dans pratiquement tous les livres d'introduction à la chimie.

Peu de temps après la publication de son article de 1916, Lewis s'est impliqué dans la recherche militaire. Il ne revient sur le sujet des liaisons chimiques qu'en 1923, lorsqu'il résume magistralement son modèle dans une courte monographie intitulée Valence et la structure des atomes et des molécules. Son regain d'intérêt pour ce sujet fut largement stimulé par les activités du chimiste et chercheur américain de General Electric Irving Langmuir , qui entre 1919 et 1921 popularisa et élabora le modèle de Lewis. Langmuir a ensuite introduit le terme liaison covalente . En 1921, Otto Stern et Walther Gerlach ont établi le concept de spin mécanique quantique dans les particules subatomiques.

Pour les cas où aucun partage n'était impliqué, Lewis développa en 1923 la théorie des paires d'électrons des acides et des bases : Lewis redéfinit un acide comme tout atome ou molécule avec un octet incomplet qui était ainsi capable d'accepter des électrons d'un autre atome ; les bases étaient, bien sûr, des donneurs d'électrons. Sa théorie est connue sous le nom de concept d' acides et de bases de Lewis . En 1923, GN Lewis et Merle Randall publient Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances , premier traité moderne de thermodynamique chimique .

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

Mécanique quantique

La mécanique quantique dans les années 1920
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De gauche à droite, rangée du haut : Louis de Broglie (1892-1987) et Wolfgang Pauli (1900-1958) ; deuxième rangée : Erwin Schrödinger (1887-1961) et Werner Heisenberg (1901-1976)

En 1924, le physicien quantique français Louis de Broglie a publié sa thèse, dans laquelle il a présenté une théorie révolutionnaire des ondes électroniques basée sur la dualité onde-particule . À son époque, les interprétations des ondes et des particules de la lumière et de la matière étaient considérées comme en contradiction les unes avec les autres, mais de Broglie a suggéré que ces caractéristiques apparemment différentes étaient plutôt le même comportement observé sous des perspectives différentes - que les particules peuvent se comporter comme des ondes, et les ondes (rayonnement) peuvent se comporter comme des particules. La proposition de Broglie offrait une explication du mouvement restreint des électrons dans l'atome. Les premières publications de l'idée de Broglie sur les « ondes de matière » n'avaient guère attiré l'attention des autres physiciens, mais une copie de sa thèse de doctorat parvint par hasard à Einstein, dont la réponse fut enthousiaste. Einstein a souligné l'importance du travail de Broglie à la fois explicitement et en s'appuyant sur celui-ci.

En 1925, le physicien autrichien Wolfgang Pauli a développé le principe d'exclusion de Pauli , qui stipule qu'aucun électron autour d'un seul noyau dans un atome ne peut occuper le même état quantique simultanément, comme décrit par quatre nombres quantiques . Pauli a apporté des contributions majeures à la mécanique quantique et à la théorie quantique des champs - il a reçu le prix Nobel de physique en 1945 pour sa découverte du principe d'exclusion de Pauli - ainsi qu'à la physique des solides, et il a émis l'hypothèse avec succès de l'existence du neutrino . En plus de son travail original, il a écrit des synthèses magistrales de plusieurs domaines de la théorie physique qui sont considérés comme des classiques de la littérature scientifique.

En 1926, à l'âge de 39 ans, le physicien théoricien autrichien Erwin Schrödinger a rédigé les articles qui ont jeté les bases de la mécanique quantique des ondes. Dans ces articles, il décrivait son équation aux dérivées partielles qui est l'équation de base de la mécanique quantique et a la même relation avec la mécanique de l'atome que les équations du mouvement de Newton avec l'astronomie planétaire. Adoptant une proposition faite par Louis de Broglie en 1924 selon laquelle les particules de matière ont une nature double et agissent dans certaines situations comme des ondes, Schrödinger a introduit une théorie décrivant le comportement d'un tel système par une équation d'onde qui est maintenant connue sous le nom d' équation de Schrödinger . Les solutions de l'équation de Schrödinger, contrairement aux solutions des équations de Newton, sont des fonctions d'onde qui ne peuvent être liées qu'à l'occurrence probable d'événements physiques. La séquence d'événements facilement visualisée des orbites planétaires de Newton est, en mécanique quantique, remplacée par la notion plus abstraite de probabilité . (Cet aspect de la théorie quantique a rendu Schrödinger et plusieurs autres physiciens profondément mécontents, et il a consacré une grande partie de sa vie future à formuler des objections philosophiques à l'interprétation généralement acceptée de la théorie qu'il avait tant fait pour créer.)

Le physicien théoricien allemand Werner Heisenberg était l'un des principaux créateurs de la mécanique quantique. En 1925, Heisenberg découvrit un moyen de formuler la mécanique quantique en termes de matrices. Pour cette découverte, il a reçu le prix Nobel de physique pour 1932. En 1927, il a publié son principe d'incertitude , sur lequel il a construit sa philosophie et pour lequel il est le plus connu. Heisenberg a pu démontrer que si vous étudiiez un électron dans un atome, vous pouviez dire où il se trouvait (l'emplacement de l'électron) ou où il allait (la vitesse de l'électron), mais il était impossible d'exprimer les deux en même temps. Il a également apporté d'importantes contributions aux théories de l' hydrodynamique des écoulements turbulents , du noyau atomique, du ferromagnétisme , des rayons cosmiques et des particules subatomiques , et il a joué un rôle déterminant dans la planification du premier réacteur nucléaire ouest-allemand à Karlsruhe , ainsi qu'un réacteur de recherche à Munich. , en 1957. Une controverse considérable entoure ses travaux sur la recherche atomique pendant la Seconde Guerre mondiale.

Chimie quantique

Certains voient la naissance de la chimie quantique dans la découverte de l' équation de Schrödinger et son application à l' atome d'hydrogène en 1926. Cependant, l'article de 1927 de Walter Heitler et Fritz London est souvent reconnu comme le premier jalon de l'histoire de la chimie quantique. C'est la première application de la mécanique quantique à la molécule d' hydrogène diatomique , et donc au phénomène de la liaison chimique . Au cours des années suivantes, de nombreux progrès ont été accomplis par Edward Teller , Robert S. Mulliken , Max Born , J. Robert Oppenheimer , Linus Pauling , Erich Hückel , Douglas Hartree et Vladimir Aleksandrovich Fock , pour n'en citer que quelques-uns.

Pourtant, le scepticisme demeurait quant à la puissance générale de la mécanique quantique appliquée aux systèmes chimiques complexes. La situation vers 1930 est décrite par Paul Dirac :

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

Par conséquent, les méthodes de mécanique quantique développées dans les années 1930 et 1940 sont souvent appelées physique moléculaire ou atomique théorique pour souligner le fait qu'elles étaient davantage l'application de la mécanique quantique à la chimie et à la spectroscopie que des réponses à des questions chimiquement pertinentes. En 1951, un article marquant en chimie quantique est l'article fondateur de Clemens CJ Roothaan sur les équations de Roothaan . Il a ouvert la voie à la solution des équations de champ auto-cohérentes pour les petites molécules comme l' hydrogène ou l' azote . Ces calculs ont été effectués à l'aide de tables d'intégrales qui ont été calculées sur les ordinateurs les plus avancés de l'époque.

Dans les années 1940, de nombreux physiciens sont passés de la physique moléculaire ou atomique à la physique nucléaire (comme J. Robert Oppenheimer ou Edward Teller ). Glenn T. Seaborg était un chimiste nucléaire américain surtout connu pour ses travaux sur l'isolement et l'identification des éléments transuraniens (ceux plus lourds que l' uranium ). Il a partagé le prix Nobel de chimie 1951 avec Edwin Mattison McMillan pour leurs découvertes indépendantes d'éléments transuraniens. Seaborgium a été nommé en son honneur, faisant de lui la seule personne, avec Albert Einstein et Yuri Oganessian , pour qui un élément chimique a été nommé de son vivant.

Biologie moléculaire et biochimie

Au milieu du 20e siècle, en principe, l'intégration de la physique et de la chimie était étendue, les propriétés chimiques étant expliquées comme le résultat de la structure électronique de l' atome ; Le livre de Linus Pauling sur la nature de la liaison chimique a utilisé les principes de la mécanique quantique pour déduire les angles de liaison dans des molécules de plus en plus compliquées. Cependant, bien que certains principes déduits de la mécanique quantique aient pu prédire qualitativement certaines caractéristiques chimiques de molécules biologiquement pertinentes, ils étaient, jusqu'à la fin du 20e siècle, plus un ensemble de règles, d'observations et de recettes que des méthodes quantitatives ab initio rigoureuses .

Représentation schématique de certaines caractéristiques structurelles clés de l'ADN

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

La même année, l' expérience Miller-Urey a démontré que les constituants de base des protéines , les acides aminés simples , pouvaient eux-mêmes être construits à partir de molécules plus simples dans une simulation de processus primordiaux sur Terre. Cette première tentative des chimistes d'étudier des processus hypothétiques en laboratoire dans des conditions contrôlées a permis de lancer des recherches abondantes, au sein des sciences naturelles , sur les origines de la vie .

En 1983, Kary Mullis a conçu une méthode d'amplification in vitro de l'ADN, connue sous le nom de réaction en chaîne par polymérase (PCR), qui a révolutionné les procédés chimiques utilisés en laboratoire pour le manipuler. La PCR a pu être utilisée pour synthétiser des morceaux spécifiques d'ADN et a rendu possible le séquençage de l'ADN d'organismes, qui a abouti à l'énorme projet du génome humain .

Une pièce importante du puzzle à double hélice a été résolue par l'un des étudiants de Pauling, Matthew Meselson et Frank Stahl , le résultat de leur collaboration ( expérience Meselson-Stahl ) a été qualifiée de "la plus belle expérience en biologie".

Ils ont utilisé une technique de centrifugation qui triait les molécules en fonction des différences de poids. Parce que les atomes d'azote sont un composant de l'ADN, ils ont été marqués et donc suivis dans la réplication dans les bactéries.

Fin du 20e siècle

Buckminsterfullerène, C 60

En 1970, John Pople a développé le programme gaussien facilitant considérablement les calculs de chimie computationnelle . En 1971, Yves Chauvin a proposé une explication du mécanisme réactionnel des réactions de métathèse des oléfines . En 1975, Karl Barry Sharpless et son groupe ont découvert stéréosélectives oxydation des réactions , y compris Sharpless époxydation , Sharpless dihydroxylation asymétrique et Sharpless oxyamination . En 1985, Harold Kroto , Robert Curl et Richard Smalley ont découvert les fullerènes , une classe de grosses molécules de carbone ressemblant superficiellement au dôme géodésique conçu par l'architecte R. Buckminster Fuller . En 1991, Sumio Iijima a utilisé la microscopie électronique pour découvrir un type de fullerène cylindrique connu sous le nom de nanotube de carbone , bien que des travaux antérieurs aient été effectués sur le terrain dès 1951. Ce matériau est un composant important dans le domaine de la nanotechnologie . En 1994, KC Nicolaou avec son groupe et Robert A. Holton et son groupe, réalisent la première synthèse totale du Taxol . En 1995, Eric Cornell et Carl Wieman ont produit le premier condensat de Bose-Einstein , une substance qui présente des propriétés de mécanique quantique à l'échelle macroscopique.

Mathématiques et chimie

Classiquement, avant le 20e siècle, la chimie était définie comme la science de la nature de la matière et de ses transformations. Elle était donc clairement distincte de la physique qui ne s'occupait pas d'une transformation aussi dramatique de la matière. De plus, contrairement à la physique, la chimie n'utilisait pas beaucoup les mathématiques. Même certains étaient particulièrement réticents à utiliser les mathématiques en chimie. Par exemple, Auguste Comte écrivait en 1830 :

Toute tentative d'employer des méthodes mathématiques dans l'étude de questions chimiques doit être considérée comme profondément irrationnelle et contraire à l'esprit de la chimie. elle occasionnerait une dégénérescence rapide et généralisée de cette science.

Cependant, dans la seconde partie du XIXe siècle, la situation change et August Kekulé écrit en 1867 :

Je m'attends plutôt à ce que nous trouvions un jour une explication mathématico-mécanique à ce que nous appelons aujourd'hui les atomes, qui rende compte de leurs propriétés.

Portée de la chimie

Au fur et à mesure que la compréhension de la nature de la matière a évolué, la compréhension de la science de la chimie par ses praticiens a également évolué. Ce processus historique continu d'évaluation comprend les catégories, les termes, les objectifs et la portée de la chimie. De plus, le développement des institutions sociales et des réseaux qui soutiennent l'enquête chimique sont des facteurs très importants qui permettent la production, la diffusion et l'application des connaissances chimiques. (Voir Philosophie de la chimie )

Industrie chimique

La dernière partie du XIXe siècle a vu une énorme augmentation de l'exploitation du pétrole extrait de la terre pour la production d'une multitude de produits chimiques et a largement remplacé l'utilisation d' huile de baleine , de goudron de houille et de réserves navales utilisées auparavant. La production et le raffinage à grande échelle du pétrole ont fourni des matières premières pour les carburants liquides tels que l' essence et le diesel , les solvants , les lubrifiants , l' asphalte , les cires et pour la production de nombreux matériaux courants du monde moderne, tels que les fibres synthétiques , les plastiques, les peintures , détergents , produits pharmaceutiques , adhésifs et ammoniac comme engrais et pour d'autres usages. Beaucoup d'entre eux nécessitaient de nouveaux catalyseurs et l'utilisation du génie chimique pour leur production rentable.

Au milieu du XXe siècle, le contrôle de la structure électronique des matériaux semi - conducteurs a été précisé par la création de gros lingots de monocristaux extrêmement purs de silicium et de germanium . Un contrôle précis de leur composition chimique par dopage avec d'autres éléments a rendu la production du transistor à l' état solide en 1951 et a rendu possible la production de minuscules circuits intégrés destinés à être utilisés dans des appareils électroniques, en particulier des ordinateurs .

Voir également

Histoires et chronologies

Chimistes notables

classés par ordre chronologique :

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

Documentaires

Liens externes