Une petite histoire de la chimie

Mythologie - Les Egyptiens croyaient que la chimie avait été révélée par le dieu Thot. Ce dieu du langage connaissait les paroles divines auxquelles les autres dieux ne pouvaient résister. C'était le dieu des scribes et des magiciens. Il se révélait sous forme de l'ibis sacré ou du babouin.

Nefertari écoutant Thot récitant les formules magiques

Thot avec le scribe Nebmertouf

- Les Grecs assimilaient Thot à leur dieu Hermès. - Plus tard les alchimistes du Moyen-Age croyaient qu'Hermès avait noté toutes les connaissances chimiques sur une table en émeraude.

Hermès Trismégiste

Tabula Smaragdina

- L'apologiste chrétien Tertullien déclare (vers 200 après J.C.) le plus sérieusement du monde que les anges déchus de l'apocalypse enseignèrent aux hommes les recettes de cet art damnable.

Les premiers essais d'explication des étranges propriétés de la matière - Pour le philosophe grec Démocrite, tout ce que l'on voit et pense(!) est formé de choses matérielles très petites qu'il appelle des "atomes" ( Monisme ): "En réalité, il n'existe rien d'autre que des atomes indivisibles dans un vide infini" - Le philosophe grec Aristote affirme qu'il existe une matière première unique qui peut posséder uniquement quatre qualités: le chaud, le froid, le sec et l'humide. D'après lui, le feu ne serait rien d'autre que cette "materia prima" à laquelle se seraient ajoutés le chaud et le sec. Il en est de même de l'air où le sec et l'humide revêtent la matière première ainsi que de l'eau où ce serait le froid et l'humide. L'air se transformerait en feu, si l'hunide est remplacé par le sec (le bois sec brûle mieux que le bois humide) et en eau, si le chaud est remplacé par le froid (on observe souvent la condensation de l'humidité à partir de l'air refroidi).

Terre, eau, air et feu - Le plus grand charlatan du Moyen-Age, l'alchimiste Paracelse (il affirmait avoir réalisé un être vivant en chair et en os, l'homunculus !), réduisait la matière à trois "principes": le soufre, le vif-argent (mercure) et le sel. En combinant les deux premiers, on obtiendrait la fameuse pierre philosophale qui ne permettrait rien de moins que de transformer le plomb en or et de faire un jeune homme d'un vieillard! (Comme tous les beaux-parleurs (même de nos jours), Paracelse eut un énorme succès: Il fut doté de la première chaire de chimie au monde à l'université de Bâle en 1527!) - Le chimiste allemand Georg Stahl (vers 1700) énonce "la sublime théorie": Il affirme que, quand un corps brûle dans l'air, il perd quelque chose, ce quelque chose que nous voyons brûler et qui semble partir de lui: le "phlogistique". Il ignore superbement l'expérience de Jean Rey qui avait déjà trouvé un demi-siècle avant, qu'en brûlant l'étain son poids augmente!. (En 1630, Jean Rey, en calcinant 2 livres 6 onces d'étain le plus pur, obtenait 2 livres 13 onces de résidus, "ce qui lui donna un estonnement incroyable, ne pouvant s'imaginer d'où étaient venues les 7 onces de plus") - Interrogé sur les théories de la matière, le grand physicien anglais Newton disait avec dédain: " Je ne forge pas d'hypothèses". Entre 1700 et 1789 (parution du Traité élémentaire de chimie de Lavoisier) tous les vrais chimistes s'en tenaient à cette prudente réserve.

Les premières expériences chimiques -20000:Premiers colorants dans les peintures rupestres (Lascaux, Altamira) -5000: Fabrication de l'antimoine et du cuivre (Mésopotamie) -4000: Début de l'âge du bronze, utilisation de fards et parfums en Egypte, enbaumages des momies à l'aide de bitume. -1200: Début de l'âge du fer, fabrications d'émaux en Egypte 700: Méthodes de distillation développées par les Arabes 800: L'Arabe Geber découvre des sels d'arsenic, soufre et de mercure 1200 Les Arabes d'Espagne découvrent l'acide sulfurique 1200 Albert le Grand découvre l'acide nitrique et ses propriétés 1250 Roger Bacon découvre la poudre à canon 1650 Van Helmont découvre les gaz 1660 Robert Boyle distingue les corps composés et les mélanges 1755 Charles Guillaume Scheele découvre le dioxyde de carbone et le chlore 1766 Henri Cavendish isole l'hydrogène 1774 Joseph Priestley isole l'oxygène 1781 Henri Cavendish réalise la synthèse de l'eau par l'hydrogène et l'oxygène 1783 Antoine Laurent Lavoisier réalise la décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène

Les lois fondamentales de la chimie 1) La loi de conservation de la masse (Lavoisier 1772)

Lavoisier, le père de la chimie Agé de 30 ans, Lavoisier recommença l'expérience célèbre de la calcination de l'étain dans un vase rempli d'air et hermétiquement clos. Il constata que les cendres étaient d'une masse supérieure à celle de l'étain utilisé. Cependant la masse de l'air contenu dans le vase avait diminué exactement de la même valeur que la masse de l'étain avait augmenté. Comme la masse du vase et de son contenu n'avait pas changé en cours d'opération, une conclusion inéluctable s'imposait: Rien, pas même du phlogistique n'était sorti du métal brûlant. Au contraire, l'oxygène de l'air s'était combiné avec l'étain en cours de combustion.

La balance est en équilibre quand l'acide et le marbre sont séparés. La balance reste en équilibre après la réaction qui produit un dégagement gazeux. Conclusion: Dans une réaction chimique, la somme des masses des réactifs est égale à la somme des masses des produits.(Loi de Lavoisier) " Rien ne se crée, rien ne se perd, ni dans les oeuvres de l'art, ni dans ceux de la nature" (Formulation de Lavoisier) 2) La loi des proportions constantes

Joseph-Louis Proust À l'époque, une grande difficulté consistait pour les chimistes à faire la différence entre corps composés et mélange (températures de fusion et d'ébullition!). Une fois que cette différence était bien établie, ils pouvaient s'occuper des corps composés et de leur composition. En 1807, Proust mesurait à l'aide de la balance les masses des éléments présents dans un corps composé (par exemple les masses d'oxygène et d'hydrogène obtenues par analyse du corps composé eau ou les masses de soufre et de fer qui se combinent pour former le corps composé sulfure de fer).

Cliquez ! Conclusion: Dans un corps composé, le rapport des masses des éléments est constant (Loi de Proust) Cette loi fondamentale est due en réalité à une coopération des chimistes Proust, Bertollet, Vauquelin, Klaproth et Richter. Elle a été énoncée clairement par Dalton. 3) L'hypothèse atomique de Dalton

John Dalton 1766 - 1844 Dalton était un instituteur dans une école de Manchester. On le tient aujourd'hui pour le créateur incontesté de la théorie atomique. Dans son célèbre ouvrage de 1808 "Nouveau système de philosophie chimique", il pose les hypothèses essentielles de la théorie atomique: 1. Un corps simple est formé d'une sorte d'atomes 2. Tous les atomes d'un corps simple sont identiques 3. Les atomes restent inchangés dans les réactions chimiques 4. Dans la formation ou la destruction de corps composés, les atomes sont séparés ou recombinés dans un rapport différent.

Extrait Dalton inventa aussi les symboles chimiques des atomes:

Symboles des atomes d'après Dalton Il imagina leur association à l'aide ces symboles.

Assemblages d'atomes d'après Dalton Malheureusement Dalton n'avait pas encore une idée précise de la molécule bien que certains de ses assemblages y eussent ressemblé à s'y méprendre. A l'aide de l'hypothèse atomique de Dalton, les lois de Lavoisier et de Proust s'expliquent tout naturellement: Explication de la loi de conservation de la masse: D'après Dalton, une réaction chimique est un simple réarrangement d'atomes, par exemple:

Réaction chimique d'après Dalton Comme tous les atomes sont conservés intacts en gardant leur masse, la masse des réactifs (dans notre cas masse de 6 atomes "rouges" + masse de six atomes "verts" + masse de trois atomes "mauves" ) est égale à la masse des produits (dans notre cas masse de 6 atomes "rouges" + masse de six atomes "verts" + masse de trois atomes "mauves" ) Explication de la loi des proportions constantes: D'après Dalton, un corps composé est une association régulière d'atomes différents. Voici par exemple, d'après Dalton, deux échantillons du même corps composé:

Le même corps composé d'après Dalton Soit a la masse d'un atome "vert" et b la masse d'un atome "mauve". Alors, on aboutit au même rapport des masses des atomes "verts" et "mauves" dans chaque échantillon: 1er échantillon: $\frac{m_{verts}}{m_{mauves}}=\frac{12a}{6b}=\frac{2a}{b}$ 2e échantillon: $\frac{m_{verts}}{m_{mauves}}=\frac{6a}{3b}=\frac{2a}{b}$

La structure interne des atomes 1) La découverte de l'électron

J.J. Thomson En 1897, le physicien anglais J.J. Thompson examinait la décharge électrique qui se produit d'une électrode métallique à l'autre dans une enceinte de verre dans laquelle règne un vide poussé. Il étudiait les propriétés des rayons cathodiques:

J.J. Thomson Conclusion: Les atomes contiennent des particules chargées négativement appelées électrons. Les électrons possèdent une masse très faible comparée à celle de l'atome entier. 2)Le modèle de Thompson ("Plumpudding model"):

Les électrons s'insèrent comme des "raisins" négatifs dans une masse compacte positive. 3) La découverte des particules α (alpha)

Pechblende En 1896, le physicien français Henri Becquerel observa que le minerai d'uranium "Pechblende" émet spontanément un rayonnement qu'il appellait rayonnement radioactif.

Marie Sklodowska Curie Deux ans après, Marie Curie isola un élément chimique radioactif nouveau à partir de la pechblende: le radium (Ra). Les propriétés de la radioactivité purent ensuite être déterminées:

Rayonnement du Ra révélé sur une plaque fluorescente a). Le rayonnement radioactif n'est pas simple: il se compose de trois parties, à savoir les rayons a, b et g b). Les rayons γ (gamma) ne sont pas déviés en passant à travers des plaques chargées: Il s'agit d'un rayonnement semblable à la lumière (rayonnement électromagnétique), mais non visible et beaucoup plus énergétique. c) Les rayons β (beta) sont des particules chargées négativement qu'on a réussi à identifier aux électrons. d) Les rayons α (alpha) sont des particules chargées positivement. Ces particules sont dix mille fois plus lourdes que les électrons. e) Les particules α sont des atomes de l'élément hélium dépourvus de leurs électrons. f) Le dernier point nous montre qu'avec la découverte de la radioactivité, la science entre dans une ère nouvelle. Puisque l'élément (une sorte d'atomes) radium produit l'élément (une sorte d'atomes) hélium, il a fallu admettre que des atomes peuvent se décomposer pour en former d'autres: une des hypothèses de Dalton devait être révisée! g) Les particules α sont projetés avec une énorme vitesse en dehors des atomes de radium. L'idée vint rapidement de se servir de ces projectiles pour bombarder d'autres atomes pour voir ce qui pourrait bien se passer. 3. La découverte du noyau

Ernest Rutherford En 1911, Ernest Rutherford utilisait les particules α pour bombarder les atomes contenus dans une très mince feuille de l'élément chimique or (Au):

L'expérience de Rutherford (Geiger et Marsden): 1. Émetteur de rayons α 2. Mince feuillet d'or 3. Écran fluorescent Cette expérience éclaira d'un seul coup la vraie nature de l'atome: a) Comme la plupart des particules a passent tout droit à travers les atomes d'or, il faut admettre que les atomes sont presqu'entièrement vides. b) Toute la masse de l'atome doit être concentrée en une très petite région centrale appelée le noyau, parce que c'est uniquement cette région qui arrive à repousser les lourdes particules α.

Noyau et particules α c) Puisque le noyau fait dévier les quelques particules α (une particule sur 100000 est déviée!)qui passent dans son voisinage, il doit être chargé positivement. d) L'atome est donc formé d'un petit noyau central et d'une région périphérique renfermant uniquement les électrons: le nuage électronique. Si les particules a passent dans cette région, elles ne peuvent pas être déviées, parce que les électrons sont beaucoup trop légers. (Un boulet de canon n'est pas dévié par une mouche!)

Atome et noyau e) Comme une particule a sur 10.000 est déviée par un feuillet d'or de 10.000 atomes d'épaisseur,il faut admettre que, si on avait un feuillet de 1 atome d'épaisseur, une particule sur 100.000.000 serait déviée. La section $s$ à travers le noyau est donc 100.000.000 fois plus petite que la section $S$ à travers l'atome entier: $100000000=\frac{S}{s}=\frac{\pi \cdot R^2}{\pi \cdot R^2}=(\frac{R}{r})^2$ d'où: $\frac{R}{r}=10000$ Si l'atome était un éléphant, le noyau prendrait la taille d'un microbe!