À bien des égards, l’histoire de la civilisation est l’histoire de la chimie – l’étude de la matière et de ses propriétés. Les humains ont toujours cherché à identifier, utiliser et modifier les matériaux de leur environnement. Les premiers potiers ont trouvé de magnifiques émaux pour décorer et préserver leurs objets. Les bergers, les brasseurs et les viticulteurs utilisaient des techniques de fermentation pour fabriquer du fromage, de la bière et du vin. Les ménagères ont extrait la lessive des cendres de bois pour fabriquer du savon. Les forgerons apprenaient à combiner le cuivre et l’étain pour fabriquer du bronze. Les artisans ont appris à fabriquer du verre ; les travailleurs du cuir ont tanné les peaux.
Au huitième siècle de notre ère, Jābir ibn Hayyān, astronome, philosophe et scientifique musulman, est devenu l’un des premiers à utiliser des méthodes scientifiques pour étudier les matériaux. Également connu sous son nom latinisé, Geber, il est connu comme le « père de la chimie ». On pense qu’il est l’auteur de 22 parchemins décrivant les méthodes de distillation, de cristallisation, de sublimation et d’évaporation. Il a inventé l’alambic, un dispositif utilisé pour distiller et étudier les acides. Il a également développé un premier système de classification chimique utilisant les propriétés des matériaux qu’il étudiait. Ses catégories étaient :
- « Esprits » – matières qui se vaporisent lorsqu’elles sont chauffées.
- « Métaux » – notamment le fer, l’étain, le cuivre et le plomb.
- Substances non malléables – matières qui peuvent être transformées en poudre, comme la pierre.
Aujourd’hui, nous pourrions appeler des matériaux similaires « produits chimiques volatils, métaux et non-métaux. »
Chimie classique
En Europe, l’étude de la chimie était menée par des alchimistes ayant pour objectifs de transformer les métaux communs en or ou en argent et d’inventer un élixir chimique qui prolongerait la vie. Bien que ces objectifs n’aient jamais été atteints, des découvertes importantes ont été faites dans cette tentative.
Robert Boyle(1627-1691) a étudié le comportement des gaz et a découvert la relation inverse entre le volume et la pression d’un gaz. Il a également déclaré que « toute réalité et tout changement peuvent être décrits en termes de particules élémentaires et de leur mouvement », une compréhension précoce de la théorie atomique. En 1661, il a écrit le premier manuel de chimie, « The Sceptical Cymist », qui a éloigné l’étude des substances des associations mystiques avec l’alchimie et l’a orientée vers la recherche scientifique.
Dans les années 1700, le siècle des Lumières s’était enraciné dans toute l’Europe. Joseph Priestley (1733-1804) a réfuté l’idée que l’air était un élément indivisible. Il a démontré qu’il s’agissait plutôt d’une combinaison de gaz en isolant l’oxygène et en découvrant ensuite sept autres gaz discrets. Jacques Charles a poursuivi les travaux de Boyles et est connu pour avoir établi une relation directe entre la température et la pression des gaz. En 1794, Joseph Proust a étudié des composés chimiques purs et a énoncé la loi des proportions définies : un composé chimique aura toujours son propre rapport caractéristique entre les composants élémentaires. L’eau, par exemple, a toujours un rapport de deux pour un entre l’hydrogène et l’oxygène.
Antoine Lavoisier (1743-1794) était un chimiste français qui a apporté d’importantes contributions à la science. Alors qu’il travaillait comme collecteur d’impôts, Lavoisier a aidé à développer le système métrique afin d’assurer des poids et mesures uniformes. Il a été admis à l’Académie française des sciences en 1768. Deux ans plus tard, à l’âge de 28 ans, il épouse la fille de 13 ans d’un collègue. Marie-Anne Lavoisier est connue pour avoir aidé son mari dans ses études scientifiques en traduisant des articles anglais et en faisant de nombreux dessins pour illustrer ses expériences.
L’insistance de Lavoisier sur les mesures méticuleuses a conduit à sa découverte de la loi de conservation de la masse. En 1787, Lavoisier a publié les « Méthodes de nomenclature chimique », qui comprenaient les règles pour nommer les composés chimiques qui sont encore utilisées aujourd’hui. Son « Traité élémentaire de chimie » (1789) est le premier manuel de chimie moderne. Il définit clairement un élément chimique comme une substance dont le poids ne peut être réduit par une réaction chimique et énumère l’oxygène, le fer, le carbone, le soufre et près de 30 autres éléments connus à l’époque. Le livre comportait cependant quelques erreurs : il mentionnait la lumière et la chaleur comme des éléments.
Amedeo Avogadro (1776-1856) était un avocat italien qui a commencé à étudier les sciences et les mathématiques en 1800. Développant les travaux de Boyle et Charles, il a clarifié la différence entre les atomes et les molécules. Il a poursuivi en affirmant que des volumes égaux de gaz à la même température et à la même pression ont le même nombre de molécules. Le nombre de molécules dans un échantillon d’un gramme de poids moléculaire (1 mole) d’une substance pure est appelé la constante d’Avogadro en son honneur. Elle a été déterminée expérimentalement comme étant de 6,023 x 1023 molécules et constitue un important facteur de conversion utilisé pour déterminer la masse des réactifs et des produits dans les réactions chimiques.
En 1803, un météorologue anglais a commencé à spéculer sur le phénomène de la vapeur d’eau. John Dalton (1766-1844) savait que la vapeur d’eau faisait partie de l’atmosphère, mais des expériences ont montré que la vapeur d’eau ne se formait pas dans certains autres gaz. Il a supposé que cela avait quelque chose à voir avec le nombre de particules présentes dans ces gaz. Peut-être n’y avait-il pas de place dans ces gaz pour que les particules de vapeur d’eau puissent pénétrer. Soit il y avait plus de particules dans les gaz « plus lourds », soit ces particules étaient plus grosses. À l’aide de ses propres données et de la loi des proportions définies, il a déterminé les masses relatives des particules pour six des éléments connus : l’hydrogène (le plus léger et auquel on a attribué une masse de 1), l’oxygène, l’azote, le carbone, le soufre et le phosphore. Dalton a expliqué ses découvertes en énonçant les principes de la première théorie atomique de la matière.
- Les éléments sont composés de particules extrêmement petites appelées atomes.
- Les atomes d’un même élément sont identiques en termes de taille, de masse et d’autres propriétés. Les atomes de différents éléments ont des propriétés différentes.
- Les atomes ne peuvent être créés, subdivisés ou détruits.
- Les atomes de différents éléments se combinent dans des rapports simples de nombres entiers pour former des composés chimiques.
- Dans les réactions chimiques, les atomes sont combinés, séparés ou réarrangés pour former de nouveaux composés.
Dmitri Mendeleïev (1834-1907) était un chimiste russe connu pour avoir élaboré le premier tableau périodique des éléments. Il a répertorié les 63 éléments connus et leurs propriétés sur des cartes. En classant les éléments par ordre croissant de masse atomique, il a pu regrouper les éléments ayant des propriétés similaires. À quelques exceptions près, chaque septième élément avait des propriétés similaires (le huitième groupe chimique – les gaz nobles – n’avait pas encore été découvert). Mendeleïev se rendit compte que s’il laissait des espaces pour les endroits où aucun élément connu ne correspondait au schéma, celui-ci était encore plus exact. En utilisant les espaces vides de son tableau, il a pu prédire les propriétés d’éléments qui n’avaient pas encore été découverts. Le tableau original de Mendeleïev a été mis à jour pour inclure les 92 éléments naturels et les 26 éléments synthétisés.
Décrire l’atome
En 1896, Henri Becquerel découvre le rayonnement. Avec Pierre et Marie Curie, il a montré que certains éléments émettent de l’énergie à des taux fixes. En 1903, Becquerel partage le prix Nobel avec les Curie pour la découverte de la radioactivité. En 1900, Max Planck découvre que l’énergie doit être émise en unités discrètes qu’il appelle « quanta » (nommés depuis photons) et non en ondes continues. Il est apparu que les atomes étaient constitués de particules encore plus petites, dont certaines pouvaient s’éloigner.
En 1911, Ernst Rutherford a démontré que les atomes étaient constitués d’une minuscule région dense chargée positivement, entourée de zones relativement importantes d’espace vide dans lequel se déplacent des particules encore plus petites, chargées négativement (électrons). Rutherford a supposé que les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites distinctes et nettes, tout comme les planètes gravitent autour du soleil. Cependant, comme le noyau est plus grand et plus dense que les électrons, il ne pouvait pas expliquer pourquoi les électrons n’étaient pas simplement attirés dans le noyau, détruisant ainsi l’atome.
Le modèle atomique de Niels Bohr (1885-1962) a résolu ce problème en utilisant l’information de Planck. Les photons ne sont émis par un atome stimulé électriquement qu’à certaines fréquences. Il a émis l’hypothèse que les électrons habitent des niveaux d’énergie distincts et que la lumière n’est émise que lorsqu’un électron « excité » électriquement est forcé de changer de niveau d’énergie.
Les électrons du premier niveau d’énergie, le plus proche du noyau, sont étroitement liés au noyau et ont une énergie relativement faible. Dans les niveaux plus éloignés du noyau, les électrons ont une énergie croissante. Les électrons du niveau d’énergie le plus éloigné du noyau ne sont pas aussi étroitement liés et sont les électrons impliqués lorsque les atomes se lient entre eux pour former des composés. La nature périodique des propriétés des éléments est le résultat du nombre d’électrons dans le niveau d’énergie extérieur qui peuvent être impliqués dans les liaisons chimiques. Bien que les modèles de Bohr aient été remplacés par des modèles atomiques plus précis, les principes sous-jacents sont solides et les modèles de Bohr sont toujours utilisés comme diagrammes simplifiés pour montrer les liaisons chimiques.
Notre compréhension de l’atome a continué à être affinée. En 1935, James Chadwick a reçu le prix Nobel pour sa découverte qu’il y a un nombre égal de particules électriquement neutres dans le noyau d’un atome. Comme les neutrons sont électriquement neutres, ils ne sont pas déviés par les électrons ou les protons. En outre, les neutrons ont une masse supérieure à celle des protons. La combinaison de ces faits permet aux neutrons de pénétrer dans les atomes et de briser le noyau, libérant ainsi de grandes quantités d’énergie. Ces dernières années, il est devenu de plus en plus évident que les protons, neutrons et électrons de la chimie classique sont constitués de particules subatomiques encore plus petites. Les sciences de la chimie et de la physique s’entremêlent de plus en plus et les théories se chevauchent et s’opposent alors que nous continuons à sonder les matériaux dont notre univers est fait.
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